DE102007054483A1

DE102007054483A1 - Bauteil mit ringartiger oder rohrartiger Form

Info

Publication number: DE102007054483A1
Application number: DE200710054483
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Metscher
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-05-20
Also published as: WO2009062471A3; WO2009062471A2

Abstract

Ein Bauteil mit ringartiger oder rohrartiger Form, welches in seinem thermischen Verhalten an mindestens ein benachbartes Bauteil angepasst ist. Das Bauteil weist ein erstes, radial inneres und ein zweites, radial äußeres Element auf, wobei das erste Element mit seinem Außenumfang am Innenumfang des zweiten Elements anliegt und wobei die beiden Elemente sich in mindestens einer ihrer physikalischen Kenngrößen Ausdehungskoeffizient alpha, Wärmeleitzahl lambda und Wärmekapazität C in der Weise unterscheiden, dass der Kontaktdruck zwischen den beiden Elementen bei Erwärmung zunimmt, bei Abkühlung hingegen abnimmt.

Description

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.
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 instationären Betriebszuständen können sich zusammenwirkende Bauteile sehr unterschiedlich verhalten, so dass es zu ungewollten, zeitweiligen Laufspaltänderungen im Sinne einer Vergrößerung oder Verkleinerung kommen kann. Geschaufelte 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 instationäre 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.
Angesichts dieser Probleme besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein neuartiges Bauteil mit ringartiger oder rohrartiger Form vorzuschlagen, welches für instationäre Betriebszustände 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 in 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.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Bauteils sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
1 einen Teillängsschnitt durch ein Gehäuse im Bereich eines Laufschaufelkranzes,
2 einen Teillängsschnitt durch einen beschaufelten Rotor mit einem Abstandselement zwischen Laufscheiben.
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, stati schen 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 Betriebszuständen 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 α wird α3 größer als 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 α, λ, 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 1 zeigt die 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 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.

Claims

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, insbesondere für eine Turbomaschine wie z. B. eine Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 2) ein erstes, radial 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.
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).
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 Elements (4, 6).
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).
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Elemente (3, 4; 5, 6) aus Metall besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Elemente (3, 4; 5, 6) aus Keramik besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Elemente (3, 4; 5, 6) aus faserverstärktem Kunststoff, faserverstärktem Metall oder faserverstärkter Keramik besteht.
Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstoffasern, Siliziumkarbidfasern und/oder Borfasern sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäuse für einen beschaufelten Rotor bildet, insbesondere ein Verdichtergehäuse einer Gasturbine.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Abstandselement zwischen beschaufelten Rotorscheiben (9, 10), einen sogenannten Spacer, bildet.