DE102008005479A1

DE102008005479A1 - Gasturbine mit einem Verdichter mit flüssigkeitsbeaufschlagter Einlaufschicht

Info

Publication number: DE102008005479A1
Application number: DE102008005479A
Authority: DE
Inventors: Ingo Jahns
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Verdichter 1, welcher zumindest eine Reihe von Schaufeln 2 umfasst, wobei die Schaufeln 2 jeweils mit einem freien Ende 3 versehen sind, wobei angrenzend an das freie Ende 3 der Schaufel 2 an einem ringförmigen Gehäusebereich 4 und/oder an einem ringförmigen Trommelbereich 5 eine Einlaufschicht 6 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufschicht 6 mit einer Flüssigkeitszuführungsvorrichtung 9 verbunden ist und das die Einlaufschicht 6 mit Flüssigkeitsdurchtrittsöffnungen versehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Gasturbine mit einem Verdichter, welcher zumindest eine Reihe von Schaufeln umfasst, wobei die Schaufeln jeweils mit einem freien Ende versehen sind, wobei angrenzend an das freie Ende der Schaufel an einem ringförmigen Gehäusebereich und/oder an einem ringförmigen Trommelbereich eine Einlaufschicht ausgebildet ist.
Heutige Axialkompressoren (Verdichter) bestehen aus einem Rotor mit mindestens einer Laufschaufelreihe und einem Gehäuse. Diese Laufschaufelreihe soll zu dem Gehäuse einen möglichst kleinen Abstand haben, um Wirkungsgradverluste zu vermeiden. Um im Falle eines Anstreifens der Laufschaufeln Schäden zu vermeiden, sind im Gehäuse Einlaufbeläge eingebracht. Im Falle des Anstreifens werden Bereiche des Einlaufbelages abgetragen.
Es sind verschiedenste Lösungen vorbekannt, die das Spaltverhalten zu optimieren versuchen. Oftmals wird versucht, mittels Luftströmungen das thermische Verhalten der Gehäuse dem des Rotors anzupassen, wie z. B. US 7,086,233 . Andere Lösungen versuchen mit mechanischen Mitteln den Spalt zu minimieren.
Der Laufspalt zwischen den Rotorschaufeln und dem Gehäuse wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst:

1. Zentrifugallasten durch den Rotor und die Schaufeln,
2. Thermische Bewegungen, wobei das Gehäuse meistens thermisch schneller reagiert, als der Rotor,
3. Elastische Dehnungen der Rotoren und Gehäuse durch Flugmanöver,
4. Thermische Dehnungen von Rotoren und Gehäusen nach dem Abschalten des Triebwerkes.

Der letztgenannte Faktor ist schwer zu kontrollieren.
Unter normalen Betriebsbedingungen und mit herkömmlichen Einlaufbelägen wird der Spalt so eingestellt, dass die Rotorschaufeln nur sehr leicht oder gar nicht in dieser Einlaufschicht einlaufen. So wird sichergestellt, dass bei normalen Bedingungen ein kleiner Spalt existiert. Unter extremen Betriebsbedingungen kann das Rotorblatt in diese Einlaufschichten stärker einlaufen und dort Material abnehmen.
Nachteilig ist dabei, dass auch bei normalen Betriebsbedingungen ein größerer Spalt zwischen den Rotorschaufeln und der Einlaufschicht vorhanden ist, was einen negativen Einfluss auf die Pumpgrenze und den Wirkungsgrad hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine sowie ein Verfahren zum Einlaufen von Schaufeln zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Wirksamkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und ein hohes Maß an Betriebssicherheit aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination der unabhängigen Ansprüche gelöst, die jeweiligen Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird somit eine Flüssigkeit zum Abdichten verwendet, wobei die Dicke der Schicht bevorzugt nur im Zehntelmillimeterbereich liegt.
Bevorzugterweise werden Materialien verwendet, die leicht verfügbar sind, z. B. Wasser, das bei der Verbrennung entsteht, oder Öl, welches zur Schmierung notwendig ist.
Der Kern der Erfindung liegt somit darin, die Einlaufschicht selbst flüssigkeitdurchlässig auszubilden und somit an deren Oberfläche einen Flüssigkeitsfilm auszubilden, der gegen die freien Schaufelenden wirkt und das Einlaufverhalten der Schaufeln optimiert. Ein direkter Kontakt mit der Einlaufschicht wird somit unter bestimmten Betriebsbedingungen vermieden, da die freien Schaufelenden gegen den Flüssigkeitsfilm anliegen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine Teil-Schnittansicht eines Teils einer Gehäusewandung sowie von Schaufeln gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Teil-Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
3 eine Teil-Schnittansicht eines weiteren Ausgestaltungsaspekts der Erfindung,
4 eine vergrößerte Oberflächenansicht der Einlaufschicht, und
5 eine Teil-Darstellung eines Verdichters oder Kompressors einer erfindungsgemäß zu verwendenden Gasturbine.
Die 5 zeigt einen schematischen Aufbau einer Teildarstellung eines Verdichters oder Kompressors einer erfindungsgemäß zu verwendenden Gasturbine. Dabei ist in einem ringförmigen Gehäusebereich ein Rotor (Rotortrommel) drehbar gelagert, so wie dies der Stand der Technik zeigt. Der Rotor umfasst einen Trommelbereich, an welchem Reihen von Rotorschaufeln gelagert sind. Alternierende Reihen von Statorschaufeln sind an dem ringförmigen Gehäusebereich gelagert. Hierdurch wird ein Verdichter gebildet, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Die Flüssigkeit wird über mindestens ein Zulaufrohr 9 am Gehäuse 8 zugeführt. Über eine Kammer 13 kann sich die Flüssigkeit gleichmäßig verteilen. Ein Einlaufschichtträger 11 dient auch zum Abdichten der Kammer 13 gegenüber einem Ringraum zwischen benachbarten Schaufelreihen. Im Einlaufschichtträger 12 wird die Einlaufschicht 6 aufgebracht. Durch Löcher 12 im Einlaufschichtträger 11 gelangt die Flüssigkeit zur Einlaufschicht 6.
Erfindungsgemäß besteht die Grundschicht der Einlaufsschicht 6 bevorzugterweise aus einem porösen, hygroskopischen Grundstoff oder Kapillarröhrchen, damit die Flüssigkeit an der Oberfläche austreten kann. Damit die Flüssigkeit auf der Oberfläche 15 gut haftet, sollte diese Eigenschaften aufweisen, die die Oberfläche vergrößern, z. B. rauh oder körnig sein (siehe 4). Die Flüssigkeit benetzt die Oberfläche 15 und bildet eine dünne Schicht, gegen die die Rotorschaufeln 2 unter extremen Betriebsbedingungen einlaufen können. Die Deckschicht des Einlaufbelages wird erfindungsgemäß aus der Flüssigkeit gebildet. Durch den Luftstrom werden Moleküle/Atome der Flüssigkeit mitgerissen. Es entstehen also Verluste. Je zäher die Flüssigkeit ist, desto geringer werden die Verluste sein. Durch den Druck im Ringraum kann es notwendig sein, dass die Flüssigkeit druckbeaufschlagt wird.
Um im unteren Bereich des Triebwerkes ein zu starkes Ansammeln der Flüssigkeit zu vermeiden, ist dort bevorzugt eine Absaugvorrichtung angebracht (3). Die überschüssige Flüssigkeit kann über die Löcher 12 im Einlaufschichtträger 11 in eine Kammer 17 gelangen. Diese Kammer 17 wird in dem gezeigten Beispiel durch den Einlaufschichtträger 11 und eine aufgebrachte Abdeckplatte 16 gebildet. Von dort wird die Flüssigkeit über ein Absaugrohr 14 aus dem Verdichter entfernt.
Erfindungsgemäß ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine elektrisch leitende Flüssigkeit (z. B. Atome/Moleküle der Flüssigkeit sind elektrisch leitend oder durch Zusatz von elektrisch leitenden Stoffen in einer sonst nicht leitenden Flüssigkeit) verwendet wird. In diesem Fall kann durch elektrische Kräfte das Haften der Teilchen an der Oberfläche 15 unterstützt werden. In der Einlaufschicht 6 wird zusätzlich eine elektrisch leitende Schicht eingebracht, bzw. die Einlaufschicht 6 besteht selber aus einem elektrisch leitenden Material. Dieses elektrisch leitende Material wird mit einer isolierenden Schicht überzogen, um direkten Kontakt mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit zu vermeiden. An der elektrisch leitenden Schicht wird nun eine Spannung angelegt. Die Teilchen der Flüssigkeit werden durch die Spannung angezogen und haften besser auf der Oberfläche.
Das Spaltverhalten eines Triebwerkes ist schwer zu kontrollieren. Die Erfindung erlaubt es, dass die Rotorschaufeln unter extremen Bedingungen in die Flüssigkeit einlaufen. Da die Flüssigkeit im Gegensatz zu einem festen Einlaufbelag ständig ersetzt werden kann, kann ein gleichmäßiger und optimierter Spalt eingestellt werden.

1: Verdichter
2: Schaufel
3: Freies Schaufelende
4: Gehäusebereich
5: Trommelbereich
6: Einlaufschicht
7: Rotor/Trommel
8: Gehäuse
9: Zulaufrohr/Flüssigkeitszuführvorrichtung
10: Tasche
11: Einlaufschichtträger
12: Loch
13: Ringförmige Kammer
14: Absaugrohr/Flüssigkeitsabführvorrichtung
15: Oberfläche der Einlaufschicht 6
16: Abdeckplatte
17: Kammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7086233 [0004]

Claims

Gasturbine mit einem Verdichter (1), welcher zumindest eine Reihe von Schaufeln (2) umfasst, wobei die Schaufeln (2) jeweils mit einem freien Ende (3) versehen sind, wobei angrenzend an das freie Ende (3) der Schaufel (2) an einem ringförmigen Gehäusebereich (4) eine Einlaufschicht (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufschicht (6) mit einer Flüssigkeitszuführvorrichtung (9) verbunden ist und dass die Einlaufschicht (6) mit Flüssigkeitsdurchtrittsöffnungen versehen ist.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsdurchtrittsöffnungen der Einlaufschicht (6) durch Poren des Materials der Einlaufschicht (6) gebildet sind.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsdurchtrittsöffnungen der Einlaufschicht (6) durch Kapillare des Materials der Einlaufschicht (6) gebildet sind.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufschicht (6) in einer ringförmigen Tasche (10) eines Einlaufschichtträgers (11) angeordnet ist, welcher mit Ausnehmungen (12) zur Durchleitung der Flüssigkeit versehen ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass radial außerhalb des Einlaufschichtträgers (11) eine ringförmige Kammer (13) ausgebildet ist, welche mit der Flüssigkeitszuführvorrichtung (9) verbunden ist und in welche diese mündet.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszuführvorrichtung (9) in Form zumindest eines Zulaufrohrs (9) ausgebildet ist.
Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszuführvorrichtung (9) zur Durchleitung von Wasser betriebsverbunden ist.
Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszuführvorrichtung (9) zur Durchleitung von Öl mit einem Ölkreislauf betriebsverbunden ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitsabführvorrichtung (14) mit dem Einlaufschichtträger (11) betriebsverbunden ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufschicht (6) aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt ist.
Verfahren zum Einlaufen von freien Endbereichen (9) von Schaufeln (2) eines Verdichters (1) einer Gasturbine, wobei die Endbereiche (3) mit zumindest einer im Wesentlichen ringförmigen Einlaufschicht (6) eines ringförmigen Gehäusebereichs (4) in Kontakt gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (15) der Einlaufschicht (6) mit einer Flüssigkeit beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Wasser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Öl verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Flüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an die Einlaufschicht (6) eine elektrische Spannung angelegt wird.