DE102008005482A1

DE102008005482A1 - Gasturbine mit einem Verdichter mit selbstheilender Einlaufschicht

Info

Publication number: DE102008005482A1
Application number: DE102008005482A
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 bezieht sich auf eine Gasturbine mit einem Verdichter (12), welcher zumindest eine Reihe von Schaufeln (11) umfasst, wobei die Schaufeln (11) jeweils mit einem freien Ende (16) versehen sind, wobei angrenzend an das freie Ende (16) der Schaufel (11) an einem ringförmigen Gehäusebereich (15, 9) eine Einlaufschicht (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufschicht (6) mit einer Flüssigkeitszuführvorrichtung (17) verbunden ist und dass die Einlaufschicht (6) mit Flüssigkeitsdurchtrittsöffnungen versehen ist, wobei die den Schaufeln zugewandte oberste Schicht (8) der Einlaufschicht (6) aus einem flüssigkeitsundurchlässigen Material besteht.

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 ist somit vorgesehen, dass die Einlaufschicht porös ausgebildet ist und mit einer Flüssigkeit beaufschlagt werden kann. Eine selbstheilende Schicht entsteht auf der Oberfläche der Einlaufschicht durch Verdampfen der Flüssigkeit.
Der Spalt zwischen Rotorschaufeln und Einlaufschicht wird erfindungsgemäß so eingestellt, dass unter normalen Betriebsbedingungen die Deckschicht nicht beschädigt wird. Kommt es bei einem extremen Manöver zu einem Einlaufen der Rotorschaufeln in die Deckschicht, wird diese abgetragen und die Grundstruktur der Einlaufschicht freigelegt. Nun setzt der Selbstheilungsprozess ein. Es wird solange Flüssigkeit verdunstet, bis sich an der beschädigten Oberfläche eine in der Flüssigkeit gelöste Substanz absetzt und die beschädigte Deckschicht wieder verschließt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine Teil-Darstellung eines Verdichters oder Kompressors einer erfindungsgemäß zu verwendenden Gasturbine;
2 eine vergrößerte Detailansicht einer Einlaufschicht gemäß dem Stand der Technik;
3 eine vergrößerte Darstellung, analog 2, der erfindungsgemäßen Ausgestaltung; und
4 eine Teil-Schnittansicht eines weiteren Ausgestaltungsaspekts der Erfindung.
Die 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Teildarstellung eines Verdichters oder Kompressors einer erfindungsgemäß zu verwendenden Gasturbine. Dabei ist in einem ringförmigen Gehäusebereich 15 ein Rotor 14 (Rotortrommel) drehbar gelagert, so wie dies der Stand der Technik zeigt. Der Rotor 14 umfasst einen Trommelbereich 13, an welchem Reihen von Rotorschaufeln 11 gelagert sind. Alternierende Reihen von Statorschaufeln 19 sind an dem ringförmigen Gehäusebereich 15 gelagert. Hierdurch wird ein Verdichter 12 gebildet, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Freie Schaufelenden 16 der Rotorschaufeln 11 und Statorschaufeln 19 legen sich mit einem geringen Spalt an der Wandung eines Gehäuses 9 bzw. der Rotortrommel an. Dabei ist erfindungsgemäß eine Einlaufschicht 6 vorgesehen, um den Abstand der freien Schaufelenden von der Oberfläche des Gehäuses 9 bzw. des Trommelbereichs 13 durch Einlaufen einstellen zu können.
Bei der Erfindung ist nunmehr folgendes vorgesehen:
Die Erfindung macht sich idealerweise vorhandene Rohstoffe im Betrieb zunutze. Bevorzugterweise wird als Flüssigkeit Wasser verwendet. Bei der Verbrennung des Kraftstoffes wird Kohlendioxid und Wasser freigesetzt. Die Abgase können dem Abgasstrom entnommen und das Wasser zur Kondensation gebracht werden.
Die erfindungsgemäß verwendeten Stoffe können aber auch mitgeführt oder aus der Umgebungsluft gewonnen werden.
Erfindungsgemäß wird das Kohlendioxid im Wasser gelöst und es entsteht Kohlensäure. Je kühler das Wasser und je höher der Druck, desto mehr Kohlendioxid kann gelöst werden. Erfindungsgemäß kann somit auch ein Kreislauf mit Pumpe und Kühlung des Wassers aufgebaut werden.
Im Weiteren wird Kalk benötigt. Erfindungsgemäß wird das leicht kohlensäurehaltige Wasser über den Kalk geführt, wobei der Kalk zu wasserlöslichem Calciumhydrogencarbonat umgewandelt wird. Dieses calciumhydrogencarbonat-haltige Wasser wird nun über ein Zufuhrrohr 17 am Gehäuse 9 geleitet. Über eine Kammer 10 kann sich die Flüssigkeit gleichmäßig verteilen. Der Einlaufschichtträger 4 dient an dieser Stelle auch zum Abdichten der Kammer 10 gegenüber dem Ringraum 5. Im Einlaufschichtträger 4 wird die Einlaufschicht 6 aufgebracht. Durch Ausnehmungen 7 im Einlaufschichtträger 4 gelangt die Flüssigkeit zur Einlaufschicht 6. Erfindungsgemäß besteht die Grundschicht der Einlaufsschicht 6 aus einem porösen Grundstoff oder Röhrchen, so dass das calciumhydrogencarbonat-haltige Wasser diese durchdringen kann. Die oberste Schicht 8 der Einlaufschicht 6 besteht aus einer wasserundurchlässigen Deckschicht.
Der Spalt zwischen Rotorschaufeln 11 und Einlaufschicht 6 wird erfindungsgemäß so eingestellt, dass unter normalen Betriebsbedingungen die Deckschicht 8 nicht beschädigt wird. Kommt es bei einem extremen Manöver zu einem Einlaufen der Rotorschaufeln 11 in die Deckschicht 8, wird diese abgetragen und die Grundstruktur der Einlaufschicht 6 freigelegt. Nun setzt der Selbstheilungsprozess ein. Es wird solange Wasser verdunstet, bis sich an der beschädigten Oberfläche eine Kalkschicht absetzt und sich die beschädigte Deckschicht 8 wieder verschließt.
Erfindungsgemäß besteht die Grundschicht der Einlaufschicht 6 aus einem porösen Grundstoff oder weist feine Röhrchen auf (Kapillare).
Um im unteren Bereich des Triebwerkes ein zu starkes Ansammeln der Flüssigkeit zu vermeiden, ist dort bevorzugt eine Absaugvorrichtung angebracht (4). Die überschüssige Flüssigkeit kann über die Löcher 7 im Einlaufschichtträger 4 in eine Kammer 1 gelangen. Diese Kammer 1 wird in dem gezeigten Beispiel durch den Einlaufschichtträger 4 und eine aufgebrachte Abdeckplatte 2 gebildet. Von dort wird die Flüssigkeit über ein Absaugrohr 3 aus dem Verdichter entfernt.
Das Spaltverhalten eines Triebwerkes ist schwer zu kontrollieren. Die Erfindung erlaubt es, dass sich die Einlaufschicht selbst regeneriert und der Laufspalt wenigstens teilweise wieder hergestellt wird.

1: Kammer
2: Abdeckplatte
3: Absaugrohr/Flüssigkeitsabführvorrichtung
4: Einlaufschichtträger
5: Ringkanal des Rotors
6: Einlaufschicht
7: Loch/Ausnehmung
8: Oberste Schicht/Deckschicht
9: Gehäuse
10: Ringförmige Kammer
11: Rotorschaufeln
12: Verdichter
13: Trommelbereich
14: Rotor/Trommel
15: Ringförmiger Gehäusebereich
16: Freies Schaufelende
17: Zufuhrrohr
18: Tasche
19: Statorschaufeln

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7086233 [0004]

Claims

Gasturbine mit einem Verdichter (12), welcher zumindest eine Reihe von Schaufeln (11) umfasst, wobei die Schaufeln (11) jeweils mit einem freien Ende (16) versehen sind, wobei angrenzend an das freie Ende (16) der Schaufel (11) an einem ringförmigen Gehäusebereich (15, 9) eine Einlaufschicht (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufschicht (6) mit einer Flüssigkeitszuführvorrichtung (17) verbunden ist und dass die Einlaufschicht (6) mit Flüssigkeitsdurchtrittsöffnungen versehen ist, wobei die den Schaufeln (11) zugewandte oberste Schicht (8) der Einlaufschicht (6) aus einem flüssigkeitsundurchlässigen Material besteht.
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 oberste Schicht aus Kalk besteht.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufschicht (6) in einer ringförmigen Tasche (18) eines Einlaufschichtträgers (4) angeordnet ist, welcher mit Ausnehmungen (7) zur Durchleitung der Flüssigkeit versehen ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass radial außerhalb des Einlaufschichtträgers (4) eine ringförmige Kammer (10) ausgebildet ist, welche mit der Flüssigkeitszuführvorrichtung (17) verbunden ist und in welche diese mündet.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszuführvorrichtung (17) in Form zumindest eines Zulaufrohrs (17) ausgebildet ist.
Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszuführvorrichtung (9) zur Durchleitung von Wasser betriebsverbunden ist.
Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszuführvorrichtung (17) zur Anreicherung des Wassers mit Kohlendioxyd mit einem Abgasstrom betriebsverbunden ist.
Gasturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszuführvorrichtung (17) zur Anreicherung des Wassers mit Calciumhydrogencarbonat mit einem Kalkvorrat betriebsverbunden ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitsabführvorrichtung (13) mit dem Einlaufschichtträger (4) betriebsverbunden ist.
Verfahren zum Einlaufen von freien Endbereichen (16) von Schaufeln (11) eines Verdichters (12) einer Gasturbine, wobei die Endbereiche (16) mit zumindest einer im Wesentlichen ringförmigen Einlaufschicht (6) eines ringförmigen Gehäusebereichs (15) in Kontakt gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine, den Schaufeln (11) zugewandte oberste Schicht (8) durch Verdunsten einer Flüssigkeit nachgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Wasser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über einen Abgasstrom mit Kohlendioxyd angereichert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über einen Kalkvorrat mit Calciumhydrogencarbonat angereichert ist.
Verfahren nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet dass ein anderer im Wasser gelöster oder transportierter Stoff durch Verdunsten an dem zum Schaufelende zeigenden Einlaufschichtbereich abgeschieden wird.