DE102008033783A1 - Gas turbine and method for changing the aerodynamic shape of a gas turbine blade - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel (22, 24) einer Gasturbine sieht vor, diese mit einer Beschichtung (42) aus einer Formgedächtnis-Legierung zu versehen. Über Kanäle (32) wird Heißluft (36) zur beschichteten Schaufel (22, 24) transportiert, um eine Phasenänderung der Beschichtung (42) und eine aerodynamische Gestaltänderung der Schaufel (22, 24) herbeizuführen.A method of altering the aerodynamic shape of a blade (22, 24) of a gas turbine is to provide it with a shape memory alloy coating (42). Via ducts (32) hot air (36) is transported to the coated blade (22, 24) to cause a phase change of the coating (42) and an aerodynamic change in shape of the blade (22, 24).
Description
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit Leit- und Laufschaufeln im Verdichter- und Turbinenabschnitt.The The invention relates to a gas turbine with guide vanes and blades in the Compressor and turbine section.
Gasturbinen werden insbesondere als Flugantriebe verwendet und weisen zumindest einen Rotor und mindestens einen Stator auf, und zwar sowohl im Verdichter- als auch im Turbinenbereich. Die dem Rotor zugeordneten Laufschaufeln rotieren gegenüber dem feststehenden Gehäuse und den ebenfalls feststehenden Leitschaufeln.gas turbines are used in particular as aircraft propulsion and have at least a rotor and at least one stator, both in Compressor as well as in the turbine area. The associated with the rotor Blades rotate opposite the fixed housing and the likewise fixed vanes.
Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, sind unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Strömungsbedingungen ausgesetzt, die sie im Betrieb durchlaufen. Diese unterschiedlichen Bedingungen machen es wünschenswert, die geometrische Gestalt der Schaufeln temporär zu ändern. Es sind bereits verschiedene Formen von sogenannten adaptiven Schaufeln angedacht worden. Eine dieser Optionen besteht darin, daß Drähte aus Formgedächtnis-Legierungen an oder in einer Schaufel zur Formänderung des Profiles benutzt werden. Diese Drähte werden elektrisch erwärmt, bis es zu der bei Formgedächtnis-Legierungen spezifischen abrupten Phasenänderung kommt. Durch die sich dadurch ändernde Form der Drähte (Ausdehnen oder Zusammenziehen) wird die Schaufelform geändert.Gas turbines, In particular, aircraft gas turbines are different environmental conditions and flow conditions exposed in the factory. These different ones Conditions make it desirable to temporarily change the geometric shape of the blades. They are already different Forms of so-called adaptive blades have been considered. A of these options is that wires of shape memory alloys on or in a shovel to change the shape of the profile. These wires are heated electrically until it to that in shape memory alloys specific abrupt phase change comes. By changing thereby Shape of the wires (Expansion or contraction) the blade shape is changed.
Diese Methode zur Änderung der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel ist jedoch mit sehr hohem elektrischem Energieaufwand verbunden, da die benötigten Energiemengen (insbesondere die Stromstärken) sehr groß sein müssen und natürlich extern bereitzustellen sind. Darüber hinaus müssen die Drähte auch zueinander isoliert sein, das heißt zur Reduzierung des Aufwands werden diese Drähte bislang nur bei nicht-metallischen Schaufeln oder deren Abschnitten eingesetzt.These Method of change However, the aerodynamic shape of a blade is very high connected electrical energy expenditure, since the required amounts of energy (especially the currents) be very tall have to and of course externally are to be provided. About that In addition, the wires also be isolated from each other, that is to reduce the effort These wires are so far used only for non-metallic blades or their sections.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine bereitzustellen, bei der die aerodynamische Gestaltänderung der Schaufeln in vereinfachter Weise erfolgen kann. Darüber hinaus soll ein möglicht kostengünstig realisierbares Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel einer Gasturbine während deren Betriebs angegeben werden.task The invention is to provide a gas turbine in which the aerodynamic shape change the blades can be done in a simplified manner. Furthermore should one possible economical feasible method for changing the Aerodynamic shape of a blade of a gas turbine during the Operation can be specified.
Die erfindungsgemäße Gasturbine hat Leit- und Laufschaufeln im Verdichter- und Turbinenabschnitt. Zumindest einige der Schaufeln weisen eine Beschichtung aus einer Formgedächtnis-Legierung auf. Zumindest ein wahlweise Heißluft führender Kanal endet so an einer oder mehreren beschichteten Schaufeln, daß die Heißluft eine Phasenänderung der Legierung hervorruft, so daß die Schaufel ihre aerodynamische Gestalt ändert.The Gas turbine according to the invention has guide and rotor blades in the compressor and turbine section. At least some The blades have a shape memory alloy coating. At least one optional hot air leading Channel ends so on one or more coated blades that the hot air a Phase change of Alloy causes, so that the Shovel changes its aerodynamic shape.
Bei der erfindungsgemäßen Gasturbine wird das Formgedächtnismaterial durch Legieren einer Schaufel auf diese aufgebracht, so daß sich eine einfache und optimale Verbindung zwischen Schaufel und ihrer Beschichtung ergibt. Die Aktivierung des Formgedächtnis-Materials erfolgt nicht elektrisch, sondern über üblicherweise sowieso bei Gasturbinen zur Verfügung stehende Heißluft, die über zumindest einen Heißluftkanal zum Formgedächtnis-Material transportiert wird. Die durch die Heißluft transportierte Energiemenge muß ausreichend sein, um die Phasenänderung hervorzurufen. Natürlich könnte ständig eine gewisse Heißluftmenge zur beschichteten Schaufel geführt und nur für die Phasenänderung dann eine zusätzliche Heißluftenergiemenge herantransportiert werden. Alternativ hierzu wird nur dann Heißluft zur beschichteten Schaufel bzw. den beschichteten Schaufeln geführt, wenn die Phasenänderung herbeigeführt werden soll. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch das Einblasen von Luft, insbesondere bei einem Verdichter, das sogenannte Pumpen verhindert werden kann, welches vorzugsweise im Teillastbereich (Off-Design-Zustand) auftreten kann. Mit der Zufuhr der Heißluft wird damit optional auch eine Doppelfunktion erfüllt, nämlich die verbesserte Verdichterstabilisierung als auch die Schaufelgestaltänderung. Darüber hinaus können, da keine elektrische Energie zur Phasenänderung notwendig ist, die beschichteten Schaufeln aus Metall sein.at the gas turbine of the invention becomes the shape memory material Aligned by alloying a blade on this, so that a simple and optimal connection between the blade and its coating results. The activation of the shape memory material does not take place electrically, but usually anyway with gas turbines available standing hot air, the above at least one hot air duct transported to the shape memory material becomes. The through the hot air transported amount of energy must be sufficient be to the phase change cause. Naturally could constantly a certain amount of hot air led to the coated blade and only for the phase change then an additional Hot air amount of energy be transported. Alternatively, only hot air for coated blade or the coated blades, if the phase change brought shall be. Another advantage of the invention is that by the blowing of air, especially in a compressor, the so-called Pumps can be prevented, which preferably in the partial load range (Off-design state) may occur. With the supply of hot air is so optionally also fulfills a dual function, namely the improved compressor stabilization as well as the blade shape change. About that in addition, since no electrical energy is necessary for the phase change, the be coated metal blades.
Vorzugsweise sind die Schaufeln außenseitig mit der Formgedächtnis-Legierung beschichtet. Optional könnte natürlich auch die Schaufel innenseitig beschichtet sein, nämlich indem sie innen hohl ausgeführt ist.Preferably the blades are outside coated with the shape memory alloy. optional could Naturally Also, the blade to be coated inside, namely by they are hollow inside is.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die beschichteten Schaufeln Verdichterschaufeln, bei denen naturgemäß die Temperatur noch nicht so hoch wie im Turbinenbereich ist, wodurch zwischen der Heißluftzufuhr- und der Heißluftunterbrechung starke Temperaturunterschiede generiert werden können.According to the preferred Embodiment are the coated blades compressor blades, where naturally the temperature not as high as in the turbine area, which means between the hot air supply and the hot air interruption strong temperature differences can be generated.
Der Kanal oder die Kanäle gehen insbesondere von einer stromabwärtigen Verdichterstufe aus und führen Heißluft aus dieser Verdichterstufe stromaufwärts.Of the Channel or the channels in particular assume a downstream compressor stage and to lead hot air from this compressor stage upstream.
Der Kanal oder die Kanäle können am Gehäuse enden und von dort aus die Heißluft in Richtung Schaufeln leiten und/oder in das Innere der beschichteten Schaufel münden und Heißluft in diese einblasen. Diese Heißluft kann dann beispielsweise über Öffnungen zur Schaufelaußenseite geführt werden, wo die Beschichtung aus der Formgedächtnislegierung abrupt erwärmt wird.Of the Channel or the channels can on the housing ends and from there the hot air lead in the direction of blades and / or in the interior of the coated Shovel open and hot air blow into it. This hot air can then, for example, via openings to the blade outside guided where the shape memory alloy coating is abruptly heated.
Gemäß einer Ausführungsform sind die beschichteten Schaufeln Leitschaufeln oder/und Laufschaufeln.According to one embodiment, the be layered vanes vanes and / or blades.
Durch die Erfindung ist es auch möglich, eine Gasturbine vorzusehen, die ohne variables Leitgitter auskommt.By the invention it is also possible To provide a gas turbine, which manages without variable guide grille.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Schaufel, welche mit der Formgedächtnis-Legierung beschichtet ist, aus Metall besteht.Furthermore is provided according to the invention, that the Shovel, which with the shape memory alloy coated, is made of metal.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel einer Gasturbine ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- a) Vorsehen einer Beschichtung aus einer Formgedächtnis-Legierung an der Schaufel, und
- b) wahlweises Zuführen von Heißluft zur beschichteten Schaufel zum Hervorrufen der Phasenänderung der Beschichtung.
- a) providing a shape memory alloy coating on the blade, and
- b) selectively supplying hot air to the coated blade to cause the phase change of the coating.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird als Heißluft heiße Verdichterluft verwendet.According to the preferred Embodiment is as hot air name is Compressor air used.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description and from the following drawings, to the reference is taken.
In den Zeichnungen zeigen:In show the drawings:
In
Unmittelbar
stromaufwärts
der sogenannten Schaufelspitze
Alternativ
oder zusätzlich
können
die Kanäle
Optional
können
in den Kanälen
Einige
oder alle der Leit- und Laufschaufeln
Vorzugsweise
ist diese Beschichtung
Die Formgedächtnis-Legierungen werden auch als Memory-Legierungsbauteile oder -werkstoffe bezeichnet. Solche Werkstoffe wechseln ihre Gefügephasen bei einer Über- oder Unterschreitung charakteristischer Temperaturwerte.The Shape memory alloys are also referred to as memory alloy components or materials. Such materials change their structural phases in an over- or Fall below characteristic temperature values.
Als
Werkstoffe kommen beispielsweise Nickel-Titan-Legierungen, Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen
oder Kupfer-Aluminium-Nickel-Legierungen in Frage. Natürlich ist
diese Aufzählung
nicht abschließend.
Die Beschichtung
Die dargestellte Gasturbine besitzt aufgrund der nachfolgenden Eigenschaften kein variables Leitgitter, was sie in ihrem Aufbau und in ihrer Herstellung vereinfacht.The shown gas turbine has due to the following characteristics no variable baffle, what they are in their construction and in theirs Production simplified.
Die
außenseitige
Beschichtung
Aufgrund der einströmenden Verdichterluft wird zusätzlich die Gasturbinenverdichterströmung stabilisiert, was insbesondere für den Teillastbereich wichtig ist. Durch die eingeblasene Luft wird die Pumpgrenze möglichst weit zu niedrigen Durchsätzen verschoben.by virtue of the inflowing Compressor air is added stabilizes the gas turbine compressor flow, which in particular for the part load range is important. By the blown air will the surge limit as possible far too low throughputs postponed.
Die Kombination der beiden verdichterstabilisierenden Effekte, nämlich die Einblasung und die Adaption der Schaufelgeometrie, ermöglicht eine überdurchschnittliche Erweiterung des stabilen Arbeitsbereichs eines Verdichters.The Combination of the two compressor stabilizing effects, namely the Injection and the adaptation of the blade geometry, allows an above-average Extension of the stable working range of a compressor.
- 1010
- Einlaufdiffusorinlet diffuser
- 1212
- Verdichtercompressor
- 1414
- Brennkammercombustion chamber
- 1616
- Turbineturbine
- 1818
- Schubdüseexhaust nozzle
- 2020
- Gehäusecasing
- 2222
- Laufschaufelblade
- 2424
- Leitschaufelvane
- 2626
- Rotorrotor
- 2828
- Schaufelspitzeblade tip
- 3030
- Einblasöffnungeninjection openings
- 3232
- Kanalchannel
- 3434
- Auslaßöffnungenoutlet
- 3636
- Heißgashot gas
- 3838
- Hohlräumecavities
- 4040
- Absperrorganeshut-off devices
- 4242
- Beschichtungcoating
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