DE102007028939A1

DE102007028939A1 - Gasturbinenmodul

Info

Publication number: DE102007028939A1
Application number: DE102007028939A
Authority: DE
Inventors: John Sharp
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2009-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenmodul, nämlich ein Verdichtermodul oder ein Turbinenmodul einer insbesondere als Flugtriebwerk ausgebildeten Gasturbine, mit einem mindestens einen Leitschaufelkranz (15) umfassenden Stator und mit einem mindestens einen Laufschaufelkranz (13) umfassenden Rotor, wobei der oder jeder Leitschaufelkranz (15) mehrere statorseitige, feststehende Leitschaufeln (21) und der oder jeder Laufschaufelkranz (13) mehrere rotorseitige, zusammen mit dem Rotor drehbare Laufschaufeln (17) aufweist. Erfindungsgemäß sind die Leitschaufeln (21) mindestens eines Leitschaufelkranzes (15) und/oder die Laufschaufeln (17) mindestens eines Laufschaufelkranzes (13) aus einem piezostatischen Werkstoff gebildet, wobei durch Induktion einer elektrischen Potentialdifferenz in den jeweiligen Leitschaufeln (21) und/oder in den jeweiligen Laufschaufeln (17) die geometrische Form derselben veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gasturbinen, wie z. B. Gasturbinenflugtriebwerke, verfügen über mehrere Gasturbinenmodule, nämlich mindestens ein Verdichtermodul, mindestens ein Turbinenmodul sowie mindestens ein Brennkammermodul. Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichtermodul oder ein Turbinenmodul einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks. Als Verdichtermodul oder Turbinenmodul ausgebildete Gasturbinenmodule verfügen über einen Stator und einen Rotor. Zum Stator des Gasturbinenmoduls zählen ein statorseitiges Modulgehäuse sowie mindestens ein statorseitiger Leitschaufelkranz, wobei der oder jeder Leitschaufelkranz mehrere feststehende Leitschaufeln umfasst. Zum Rotor eines Gasturbinenmoduls zählen ein Rotorgrundkörper sowie mindestens ein Laufschaufelkranz, wobei der oder jeder Laufschaufelkranz mehrere zusammen mit dem Rotorgrundkörper rotierende Laufschaufeln umfasst.
Um ein Gasturbinenmodul optimal an bestimmte Betriebsbedingungen desselben anzupassen, ist es aus der Praxis bereits bekannt, die feststehenden Leitschaufeln von Leitschaufelkränzen eines Gasturbinenmoduls verstellbar auszugestalten. Hierzu dienen mechanische Verstelleinrichtungen, über die die Leitschaufeln um eine sich in radialer Richtung erstreckende Längsachse derselben gedreht werden können. Solche mechanischen Verstelleinrichtungen benötigen einen großen Bauraum und erhöhen ferner das Gewicht eines Gasturbinenmoduls. Weiterhin sind derartige mechanische Verstelleinrichtungen durch eine relativ komplexe Konstruktion gekennzeichnet, wodurch letztendlich die Kosten der Gasturbinenmodule erhöht werden. Ferner eignen sich solche mechanischen Verstelleinrichtungen ausschließlich dazu, die statorseitigen, feststehenden Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes zu verstellen. Lösungen, mit welchen rotorseitige Laufschaufeln beeinflusst werden können, sind bislang nicht bekannt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Gasturbinenmodul zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Gasturbinenmodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß sind die Leitschaufeln mindestens eines Leitschaufelkranzes und/oder die Laufschaufeln mindestens eines Laufschaufelkranzes aus einem piezostatischen Werkstoff gebildet, wobei durch Induktion einer elektrischen Potentialdifferenz in den jeweiligen Leitschaufeln und/oder in den jeweiligen Laufschaufeln die geometrische Form derselben veränderbar ist.
Beim erfindungsgemäßen Gasturbinenmodul können sowohl statorseitige Leitschaufeln mindestens eines Leitschaufelkranzes als auch rotorseitige Laufschaufeln mindestens eines Laufschaufelkranzes hinsichtlich ihrer geometrischen Form verändert werden. Hierzu sind die entsprechenden Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln aus einem piezostatischen Werkstoff gebildet, wobei durch Induktion einer elektrischen Potentialdifferenz in den Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln die geometrische Form derselben verändert werden kann. Durch die Veränderung der geometrischen Form ist die aerodynamische Umströmung veränderbar, um so das Gasturbinenmodul an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen.
Die hier vorliegende Erfindung verfügt über den Vorteil, dass einerseits statorseitige Leitschaufeln als auch rotorseitige Laufschaufeln gleichermaßen hinsichtlich ihrer geometrischen Form und damit ihres aerodynamischen Verhaltens verändert werden können. Auf konstruktiv komplexe mechanische Verstelleinrichtungen kann verzichtet werden. Dadurch können Bauraum, Gewicht und Kosten an einem Gasturbinenmodul reduziert werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine stark schematisierte Darstellung einer Gasturbine mit einem als Verdichtermodul ausgebildeten, erfindungsgemäßen Gasturbinenmodul und mit einem Turbinenmodul.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein als Verdichtermodul oder Turbinenmodul ausgebildetes Gasturbinenmodul einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks. Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 im Detail beschrieben, wobei 1 einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer Gasturbine 10 im Bereich eines Verdichtermoduls 11 und eines Turbinenmoduls 12 zeigt. In 1 ist das Verdichtermodul 11 im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ausgeführt, das Turbinenmodul 12 ist hingegen auf konventionelle Art und Weise ausgebildet. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass im Unterschied zur 1 zusätzlich oder alternativ zum Verdichtermodul 11 auch das Turbinenmodul 12 im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ausgestaltet sein kann.
Gemäß 1 umfasst sowohl das Verdichtermodul 11 als auch das Turbinenmodul 12 mehrere rotorseitige Laufschaufelkränze 13 bzw. 14 sowie mehrere statorseitige Leitschaufelkränze 15 bzw. 16. Die Laufschaufelkränze 13, 14 umfassen jeweils mehrere Laufschaufeln 17 bzw. 18, die zusammen mit einem entsprechenden Rotorgrundkörper 19 bzw. 20 rotieren. Die statorseitigen Leitschaufelkränze 15, 16 umfassen mehrere feststehende Leitschaufeln 21, 22, wobei gemäß 1 zwischen jeweils zwei benachbarten Laufschaufelkränzen 13 bzw. 14 jeweils ein Leitschaufelkranz 15 bzw. 16 positioniert ist. Neben den statorseitigen Leitschaufelkränzen 15 bzw. 16 gehört zum Stator des jeweiligen Gasturbinenmoduls 11, 12 weiterhin ein statorseitiges Modulgehäuse 23 bzw. 24.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 sind im Sinne der hier vorliegenden Erfindung die Leitschaufeln 21 der Leitschaufelkränze 15 und/oder die Laufschaufeln 17 der Laufschaufelkränze 13 aus einem piezostatischen Werkstoff gebildet. Durch Induktion einer elektrischen Potentialdifferenz in den jeweiligen Leitschaufeln 21 und/oder den jeweiligen Laufschaufeln 17 ist die geometrische Form derselben veränderbar, um so das aerodynamische Profil und damit Umströmungsverhalten derselben zu beeinflussen. Hierdurch kann im gezeigten Ausführungsbeispiel das Verdichtermodul 11 optimal an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden.
Die elektrische Potentialdifferenz ist vorzugsweise mittels eines regelbaren, elektromagnetischen Felds in den Leitschaufeln 21 und/oder den Laufschaufeln 17 induzierbar, um dieselben zwischen mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, geometrischen Formen zu überführen bzw. zu verändern. Die Größe des elektromagnetischen Felds bzw. die Größe der induzierten elektrischen Potentialdifferenz bestimmt dabei die geometrische Form der Laufschaufeln 17 und/oder der Leitschaufeln 21, die dieselben annehmen sollen.
Dann, wenn kein elektromagnetisches Feld bzw. keine induzierte elektrische Potentialdifferenz an den Laufschaufeln 17 und/oder den Leitschaufeln 21 anliegt, nehmen dieselben eine erste geometrische Form an. Abhängig von der Größe des anliegenden elektromagnetischen Felds bzw. der induzierten elektrischen Potentialdifferenz sind die jeweiligen Schaufeln von der ersten geometrischen Form in eine zweite geometrische Form überführbar, wobei dann, wenn anschließend kein elektromagnetisches Feld bzw. keine induzierte elektrische Potentialdifferenz anliegt, die jeweiligen Schaufeln selbsttätig in die erste geometrische Form zurückkehren bzw. selbsttätig die erste geometrische Form wieder annehmen.
Die erste geometrische Form, welche die jeweiligen Schaufeln dann annehmen, wenn kein elektromagnetisches Feld bzw. keine induzierte elektrische Potentialdifferenz anliegt, ist insbesondere auf stationäre Betriebsbedingungen des Gasturbinenmoduls 11 ausgelegt. Bei einem Flugtriebwerk handelt es sich bei dieser stationären Betriebsbedingung um den stationären Reisebetrieb des Flugtriebwerks. Wird diese stationäre Reisebedingung z. B. im Sinkflug oder Steigflug eines Flugtriebwerks verlassen, so kann die geometrische Form der entsprechenden Schaufeln durch Anlegen eines elektrischen Felds bzw. durch Induktion einer elektrischen Potentialdifferenz in denselben angepasst werden.
Gemäß 1 sind die rotorseitigen Laufschaufelkränze 13 sowie die statorseitigen Leitschaufelkränze 15 des Gasturbinenmoduls 11 von einer Spule 25 umgeben, wobei an die Spule 25 eine regelbare Wechselspannung anlegbar ist, um ein rotierende elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Über das rotierende elektromagnetische Wechselfeld ist in den Leitschaufeln 21 und/oder den Laufschaufeln 17 des Gasturbinenmoduls 11 eine elektrische Potentialdifferenz induzierbar, um so die geometrische Form der entsprechenden Schaufeln zu verändern.
Zwischen der Spule 25 und den Leitschaufeln 21 und/oder den Laufschaufeln 17 wird ein Luftspalt 26 mit minimalen Abmessungen eingestellt, um so das von der Spule 25 bereitgestellte, rotierende magnetische Wechselfeld zur Induktion der Potentialdifferenz optimal bzw. maximal auszunutzen. Die Abmessung des Luftspalts 26 wird dabei in erster Linie von der Dicke des Modulgehäuses 23 sowie von dem Spalt bestimmt, der zwischen den radial außen liegenden Enden der rotierenden Laufschaufel 17 und dem Modulgehäuse 23 einzuhalten ist. Das Modulgehäuse 23 sowie gegebenenfalls andere zwischen der Spule 25 und den Schaufeln positionierte Baugruppen sind aus einem magnetisch transparenten Werkstoff hergestellt, sodass über das von der Spule 25 bereitgestellte elektromagnetische Wechselfeld die zur Verformung der Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln benötigte elektrische Potentialdifferenz in denselben induziert werden kann.
Wie bereits ausgeführt, wird in stationären Betriebsbedingungen an der Spule keine geregelte Wechselspannung angelegt, so dass dann in den entsprechenden Schaufeln des Gasturbinenmoduls 11 keine elektrische Potentialdifferenz induziert wird, wodurch dieselben letztendlich die erste geometrische Form annehmen. In diesem Fall kann dann die Spule 25 als Generator betrieben werden.
Hierzu müssen die Laufschaufeln 17 dauermagnetische Eigenschaften aufweisen, wozu dann in dem piezostatischen Werkstoff der Laufschaufeln 17 vorzugsweise ferromagnetische Partikel eingelagert sind. Durch Rotation der dauermagnetischen Laufschaufeln 17 wird dann in stationären Betriebsbedingungen in der Spule 25 eine elektrische Spannung induziert, die elektrischen Verbrauchern als Versorgungsspannung bereitgestellt werden kann.
Obwohl die Induktion einer elektrischen Potentialdifferenz in den hinsichtlich ihrer Form anzupassenden Schaufeln eines Gasturbinenmoduls über Spulen und demnach über ein elektromagnetisches Wechselfeld bevorzugt ist, kann die elektrische Potentialdifferenz auch auf andere Art und Weise in den entsprechenden Schaufeln induziert werden. So kann die elektrische Potentialdifferenz z. B. unter Verwendung hochfrequenter elektromagnetischer Radiowellen in den entsprechenden Schaufeln induziert werden, wobei dann die entsprechenden Schaufeln als Antennen wirken, um die übertragene Energie zu empfangen. Entsprechende Transmitter der elektromagnetischen Radiowellen können ebenso wie eine Spule radial außen um die entsprechenden Schaufeln herum angeordnet sein.
Obwohl die Erfindung bevorzugt bei als Flugtriebwerken ausgebildeten Gasturbinen Verwendung findet, kann die Erfindung auch bei stationären Gasturbinen oder auch bei Schiffsturbinen zum Einsatz kommen.

10: Gasturbine
11: Gasturbinenmodul/Verdichtermodul
12: Gasturbinenmodul/Turbinenmodul
13: Laufschaufelkranz
14: Laufschaufelkranz
15: Leitschaufelkranz
16: Leitschaufelkranz
17: Laufschaufel
18: Laufschaufel
19: Rotorgrundkörper
20: Rotorgrundkörper
21: Leitschaufel
22: Leitschaufel
23: Modulgehäuse
24: Modulgehäuse
25: Spule
26: Luftspalt

Claims

Gasturbinenmodul, nämlich Verdichtermodul oder Turbinenmodul einer insbesondere als Fugtriebwerk ausgebildeten Gasturbine, mit einem mindestens einen Leitschaufelkranz umfassenden Stator, und mit einem mindestens einen Laufschaufelkranz umfassenden Rotor, wobei der oder jeder Leitschaufelkranz mehrere statorseitige, feststehende Leitschaufeln und der oder jeder Laufschaufelkranz mehrere rotorseitige, zusammen mit dem Rotor drehbare Laufschaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (21) mindestens eines Leitschaufelkranzes (15) und/oder die Laufschaufeln (17) mindestens eines Laufschaufelkranzes (13) aus einem piezostatischen Werkstoff gebildet sind, und dass durch Induktion einer elektrischen Potentialdifferenz in den jeweiligen Leitschaufeln (21) und/oder in den jeweiligen Laufschaufeln (17) die geometrische Form derselben veränderbar ist.
Gasturbinenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Induktion mittels eines regelbaren elektromagnetischen Felds die geometrische Form der jeweiligen Leitschaufeln (21) und/oder der jeweiligen Laufschaufeln (17) zwischen mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, geometrischen Formen veränderbar ist.
Gasturbinenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die Größe des elektromagnetischen Felds bzw. die Größe der induzierten elektrischen Potentialdifferenz die geometrische Form wählbar ist, welche die jeweiligen Leitschaufeln (21) und/oder die jeweiligen Laufschaufeln (17) annehmen sollen.
Gasturbinenmodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn kein elektromagnetisches Feld bzw. keine induzierte elektrische Potentialdifferenz anliegt, die jeweiligen Leitschaufeln (21) und/oder die jeweiligen Laufschaufeln (17) eine erste geometrische Form annehmen, dass abhängig von der Größe des anliegenden elektromagnetischen Felds bzw. der induzierten elektrischen Potentialdifferenz die jeweiligen Leitschaufeln und/oder die jeweiligen Laufschaufeln von der ersten geometrischen Form in eine zweite geometrische Form überführbar sind.
Gasturbinenmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dann, dann, wenn anschließend kein elektromagnetisches Feld bzw. keine induzierte elektrische Potentialdifferenz anliegt, die jeweiligen Leitschaufeln (21) und/oder die jeweiligen Laufschaufeln (17) wieder die erste geometrische Form annehmen.
Gasturbinenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Leitschaufeln (21) des jeweiligen Leitschaufelkranzes und/oder die Laufschaufeln (17) des jeweiligen Laufschaufelkranzes radial außen von mindestens einer Spule (25) umgeben sind.
Gasturbinenmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an die oder jede Spule (25) eine regelbare Wechselspannung anlegbar ist, um eine rotierendes elektromagnetisches Feld zu erzeugen, über welches die geometrische Form der jeweiligen Leitschaufeln und/oder der jeweiligen Laufschaufeln veränderbar ist.
Gasturbinenmodul nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Spule (25) als Generator betreibbar ist, um dann, wenn die jeweiligen Laufschaufeln die erste geometrische Form annehmen, eine aus einer Rotation der Laufschaufeln in der oder jeder Spule induzierte Spannung elektrischen Verbrauchern bereitzustellen.
Gasturbinenmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu die jeweiligen Laufschaufeln (17) aus einem dauermagnetischen Werkstoff gebildet sind.
Gasturbinenmodul nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu in den piezostatischen Werkstoff der jeweiligen Laufschaufeln (17) ferromagnetische Partikel eingelagert sind.