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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinenstufenelement für eine Turbine
und ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Turbinenstufenelements
für eine
Turbine.
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In
konventionellen Kondensationsdampfturbinen wird die Strömung des
Dampfes durch eine Vielzahl von Turbinenstufen geführt. Eine
Turbinenstufe weist dabei ein Leitschaufelelement, welches beispielsweise
fest an einem Turbinengehäuse
befestigt ist, und ein Laufradelement, welches drehbar auf einer
Rotorwelle der Turbine angeordnet wird, auf. Entlang der Strömungsrichtung
des Dampfstroms vergrößern sich
die Durchmesser der Turbinenstufen bzw. der Laufradelemente. Daher
ist die letzte Stufe einer Kondensationsdampfturbine meist das begrenzende
Bauteil bezüglich
der maximalen Abströmfläche bzw.
der maximalen Drehzahl. Gerade bei großen Durchmessern wirken ferner
große Fliehkräfte auf
die Laufräder
bzw. auf Schaufelfüße der Laufräder, was
zu hohen Spannungen führt.
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In
konventionellen Turbinen wird daher versucht, die Masse der einzelnen
Laufräder
zu verringern, indem beispielsweise in solchen Laufrädern Faserverbundschaufeln,
beispielsweise aus CFK, eingesetzt werden.
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Da
die Rotorwelle aufgrund der Materialeigenschaften aus Stahl ausgeführt werden
muss, ist es oftmals schwierig, die Faserverbundschaufeln aufgrund
ihrer spröden
Materialeigenschaften auf einer solchen Stahlrotorwelle zu befestigen.
Eine Verbindung von Stahl und CFK sollte rein formschlüssig umgesetzt
werden, da ein Kraftschluss die Faser der Faserverbundschaufeln
lokal schädigen
könnte.
In konventionellen Verbindungstechniken werden somit beispielsweise
Schwalbenschwanzverbindungen eingesetzt, in welchen ein Schaufelfuß formschlüssig in
eine entsprechende Schwalbenschwanznut auf dem metallischen Haltering
befestigt wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Turbinenstufe
einer Turbine zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird mit einem Turbinenstufenelement für eine Turbine und mit einem
Herstellverfahren zum Herstellen eines Turbinenstufenelements gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Gemäß einer
ersten beispielhaften Ausführungsform
wird ein Turbinenstufenelement für
eine Turbine bereitgestellt. Das Turbinenstufenelement weist zumindest
eine Durchströmöffnung in
dem Turbinenstufenelement für
einen Fluidstrom auf. Das Turbinenstufenelement weist entlang der
Durchströmöffnung ein
vorbestimmtes aerodynamisches Profil auf.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Turbinenstufenelement einen Faserverbundwerkstoff auf.
Der Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise aus Kohlenstofffasern, Glasfasern,
Aramidfasern, Keramikfasern und/oder polymeren Verstärkungsfasern
und/oder aus Matrixwerkstoffen aus Duroplast, insbesondere aus Epoxidharz,
Keramik, Kohlenstoff und/oder Thermoplast bestehen.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
wird ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Turbinenstufenelements
für eine
Turbine bereitgestellt. Ein Turbinenstufenelement wird mit einem
Anströmungsabschnitt,
beispielsweise mit einem aus einem Faserverbundwerkstoff bestehenden Anströmungsabschnitt,
hergestellt. In dem Anströmungsabschnitt
des Turbinenstufenelements wird eine Durchströmöffnung für einen Fluidstrom der Turbine
ausgebildet. Eine Profilfläche
des Turbinenstufenelements bildet entlang der Durchströmöffnung ein
vorbestimmtes aerodynamisches Profil aus.
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Ein
Turbinenstufenelement kann Teil einer Turbinenstufe einer Turbine
sein. Eine Turbinenstufe besteht häufig aus einem Laufrad, welches
mittels einer Rotorwelle drehbar ist, und einem Leitrad, welches
drehfest beispielsweise an einem Turbinengehäuse angebracht werden kann.
Die Turbinenstufenelemente, d. h. das Laufrad oder das Leitrad,
sind einem Fluidstrom der Turbine ausgesetzt. Der Fluidstrom strömt durch
das Laufrad und gibt Strömungsenergie
ab, so dass sich das Laufrad um die Rotorwellendrehachse dreht.
Das Leitrad ist dazu ausgebildet, den Fluidstrom in eine gewünschte Richtung zu
lenken, so dass der Fluidstrom in einem folgenden weiteren Laufrad
in einem vorbestimmten Winkel auf die Laufschaufeln auftrifft.
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Das
Turbinenstufenelement weist Durchströmöffnungen auf, durch die der
Fluidstrom hindurchströmen
kann. Besteht das Turbinenstufenelement aus einem Laufrad, so gibt
der Fluidstrom Strömungsenergie
ab, so dass dadurch das Turbinenstufenelement um eine Rotorwelle
drehbar ist. Um einen hohen Wirkungsgrad der Strömungsenergieabgabe des Fluidstroms
an das Turbinenstufenelement zu erreichen, weist das Turbinenstufenelement
entlang der Durchströmöffnungen
ein vorbestimmtes aerodynamisches Profil auf. Das aerodynamische
Profil kann beispielsweise über
bestimmte ausgeformte Profilflächen
des Turbinenstufenelements gebildet werden, so dass ein Fluidstrom
durch das Turbinenstufenelement in einer vordefinierten Weise entlang der
Profilflächen
des aerodynamischen Profils gezielt gelenkt und gesteuert wird.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein Turbinenstufenelement bereitgestellt,
in welche die Durchströmöffnungen
integriert ausgebildet sind und nicht, wie beispielsweise in konventionellen
Turbinenstufen, mittels separaten getrennten Turbinenschaufeln.
Das Turbinenstufenelement kann beispielsweise aus einer kreisrunden
Scheibe bestehen, in welcher die Durchströmöffnungen mit einem vordefinierten
aerodynamischen Profil hineingefräst bzw. hineingeschnitten werden.
Die Durchströmöffnungen
werden somit nicht aus einer Vielzahl ver schiedener Turbinenschaufeln,
sondern aus ein- und demselben Element des Turbinenstufenelements
geschaffen. Dadurch kann ein robusteres Turbinenstufenelement geschaffen
werden, da die Durchströmöffnungen
nicht durch Relativbewegungen einzeln zusammengesetzter Elemente
in ihrer Form geändert
werden. Mit anderen Worten kann die Steifigkeit des Turbinenstufenelements
erhöht
werden. Im Vergleich zu herkömmlichen
Turbinenstufenelementen, welche aus einer Vielzahl an gesonderten
Turbinenschaufeln bestehen, können
diese bei Kraftbeanspruchung sich verformen und das ideale aerodynamische
Profil der Durchströmöffnungen
verändern, so
dass ein Wirkungsgrad der Turbinenstufe sich verringern kann. Ferner
muss in konventionellen Turbinenstufenelementen, welche aus einer
Vielzahl von Turbinenschaufeln bestehen, jede einzelne Turbinenschaufel
separat befestigt und ausgerichtet werden. Mittels dem erfindungsgemäßen Turbinenstufenelement,
in welchem die Durchströmöffnungen
integriert ausgebildet sind, muss lediglich einmalig das Turbinenstufenelement
selbst montiert und ausgerichtet werden, so dass sich die gesamte
Montagezeit reduzieren kann.
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Das
Turbinenstufenelement kann ferner aus einem Faserverbundwerkstoff
hergestellt werden, so dass sich das Gewicht des Turbinenstufenelements reduziert
bzw. geringer ist, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen
Stahlturbinenschaufeln. Bei Drehung des Turbinenstufenelements um
die Rotorwellendrehachse der Rotorwelle verringern sich durch die
Gewichtsreduktion ebenso die Fliehkräfte in einem Befestigungsbereich
des Turbinenstufenelements an der Rotorwelle nahe dem Mittelpunkt.
Somit können
die Durchströmöffnungen
in dem Turbinenstufenelement derart ausgebildet werden, dass das
Turbinenstufenelement selbst bei einem weiten Abstand zur Drehachse
der Rotorwelle eine große Strömungsquerschnittfläche bzw.
eine große
Angriffsfläche
des Fluidstroms aufweisen kann, ohne dadurch im Bereich der Drehachse
Fliehkräfte
zu produzieren, welche zu einem Defekt des Turbinenstufenelements
selbst führen
könnten.
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In
dem Turbinenstufenelement kann zumindest eine Durchströmöffnung,
jedoch auch eine Vielzahl von Durchströmöffnungen ausgebildet sein,
um einen hohen Wirkungsgrad des Turbinenstufenelements bei Durchströmen des
Fluidstroms zu erzielen.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung weist das Turbinenstufenelement einen Anströmungsabschnitt
auf, in welchem die Durchströmöffnung ausgebildet
ist. Der Anströmungsabschnitt
besteht vollständig
aus einem Faserverbundwerkstoff. Anschließend an einen Randabschnitt
des Anströmungsabschnitts
können beispielsweise
metallische Materialien angeordnet sein, um eine steifere Verbindung
zu Anschlussteilen des Turbinenstufenelements, wie beispielsweise
einer Rotorwelle, zu ermöglichen.
Der Anströmungsabschnitt
des Turbinenstufenelements ist dabei der Abschnitt, in welchem die
Durchströmöffnungen
ausgebildet sind bzw. der Abschnitt, welcher die Durchströmöffnungen
umgibt.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
ist das Turbinenstufenelement zylinderförmig mit einem Zylindermittelpunkt
ausgebildet. Das Turbinenstufenelement weist um den Zylindermittelpunkt
eine Befestigungsöffnung
auf. Das Turbinenstufenelement ist mittels der Befestigungsöffnung an
einer Rotorwelle der Turbine befestigbar. Mittels einer zylinderförmigen Form
des Turbinenstufenelements kann die Form des Turbinenstufenelements derart
beschrieben werden, dass das Turbinenstufenelement beispielsweise
eine einstückige
kreisrunde Scheibe darstellt, wobei die Höhe des Zylinders im Vergleich
zu dem Durchmesser des Zylinders gering ist. Mittels des erläuterten
Ausführungsbeispiels kann
als Turbinenstufenelement ein Laufrad einer Dampfturbine verstanden
werden.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Turbinenstufenelement zumindest eine weitere in dem Turbinenstufenelement ausgebildete
Durchströmöffnung auf.
In radialer Richtung des zylinderförmigen Turbinenstufenelements
sind die Durchgangsöffnung
und die weitere Durchgangsöffung
nacheinander angeordnet. Mit anderen Worten können die Durchlassöff nungen
in radialer Richtung gestuft ausgeführt werden. Z. B. können auch
wellennah m Durchlassöffnungen
gleichmäßig oder
ungleichmäßig über den
Umfang des zylinderförmigen
Turbinenstufenelements verteilt werden und am äußeren Umfang in radialer Richtung des
Turbinenstufenelements n weitere Durchlassöffnungen gleichmäßig oder
ungleichmäßig verteilt
werden. In Umfangsrichtung können
die Durchgangsöffnungen
und die weiteren Durchgangsöffnungen
versetzt angeordnet sein. Die Anzahl der m Durchlassöffnungen
kann unterschiedlich zu den n weiteren Durchlassöffnungen gewählt werden,
z. B. m < n. Somit
kann eine Vielzahl von Anordnungen von Durchlassöffnungen ermöglicht werden,
sodass ein gewünschtes
Durchströmmuster
des Fluidstromes bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Turbinenstufenelement ferner einen Befestigungsring bestehend
aus einem metallischen Material auf. Der Befestigungsring ist an der
Befestigungsöffnung
angebracht. Das Turbinenstufenelement ist mittels des Befestigungsrings
an der Rotorwelle befestigbar.
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Der
Befestigungsring kann beispielsweise den aus Faserverbundwerkstoff
hergestellten Anströmungsabschnitt
des Turbinenstufenelements umgeben. Damit kann eine Verbindung des
Turbinenstufenelements mit einem weiteren Verbindungspartner, wie
beispielsweise der Rotorwelle, verbessert werden. Mittels des metallischen
Befestigungsrings wird eine Metall-Metall-Verbindung der Rotorwelle bereitgestellt.
Dies ermöglicht
eine verbesserte Stabilität der
Verbindung, da bei einer Faserverbund-Metall-Verbindung der eher
spröde
Faserverbundwerkstoff oftmals beschädigt wird. Eine Faserverbund-Stahl-Verbindung kann daher
beispielsweise nur mit einer rein formschlüssigen Verbindungstechnik,
wie beispielsweise einer Schwalbenschwanzverbindung, umgesetzt werden,
da ein Kraftschluss des Faserverbundmaterials mit dem Stahlverbindungspartner
die Fasern lokal schädigen
kann. Mittels des metallischen Befestigungsrings kann beispielsweise ein
Kraftschluss mit der Rotorwelle ermöglicht werden. Da Kraftschlussverbin dungen
häufig
ein zügigeres
Montieren im Vergleich zu formschlüssigen Verbindungen ermöglichen,
kann somit der Montagevorgang des Turbinenstufenelements auf der
Rotorwelle beschleunigt werden.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
kann der Befestigungsring in dem Befestigungsbereich zu der Befestigungsöffnung ein Metallnetz
aufweisen, wobei in das Metallnetz bei der Herstellung des Turbinenstufenelements
die Fasern des Faserverbundwerkstoffs eingebracht werden können, beispielsweise
mittels Webtechniken. Das Metallnetz kann beispielsweise auf die
Rotorwelle aufgelötet
oder geklebt werden. Somit kann eine feste Verbindung zwischen dem
Befestigungsring und beispielsweise dem Anströmungsabschnitt des Turbinenstufenelements
ermöglicht
werden. Der metallische Befestigungsring kann dabei beispielsweise
als Adaptermaterial zwischen den Faserverbundwerkstoff des Anströmungsabschnitts
des Turbinenstufenelements und der metallischen Rotorwelle verstanden
werden.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
kann der Befestigungsring an die Befestigungsöffnung mittels Klebens, Aninfiltrierens oder
Schweißens
angebracht sein. Unter Aninfiltrieren ist ein Konsolidierungsprozess
zu verstehen, bei dem in einem Fertigungsschritt die Infiltration
des Faserhalbzeugs sowie die gleichzeitige chemische Verbindung
des polymeren Matrixmaterials und des metallischen Befestigungsrings
erfolgen. Zur Verbesserung der Haftung zwischen Matrix und Befestigungsring
kann der metallische Ring zusätzliche
Elemente aufweisen, die bis in das Faserhalbzeug reichen und somit
eine verbesserte Anbindung gewährleisten.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Turbinenstufenelement einen Mantelflächenabschnitt auf. Die Fasern
des Faserverbundwerkstoffs können
in dem Mantelflächenabschnitt
in Umfangsrichtung des Turbinenstufenelements verlaufen. Somit kann
eine stabile Außenfläche bzw.
Mantel fläche
des Turbinenstufenbereichs geschaffen werden, da keine Faserbündel beispielsweise
radial überstehen.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Turbinenstufenelement ein Dichtband auf. Das Dichtband
kann an den Mantelflächenabschnitt
derart befestigt sein, dass eine Dichtung gegenüber einem Turbinengehäuse der
Turbine bereitstellbar ist. Das Dichtband kann beispielsweise formschlüssig auf
den Mantelflächenabschnitt
des Turbinenstufenelements aufgetragen werden. Das Dichtband kann
durchgängig
um einen gesamten Umfang des Turbinenstufenelements ausgebildet sein,
so dass zwischen einem sich außen
befindenden Turbinengehäuse
eine Dichtung bereitgestellt werden kann, die den Fluidstrom verringern
kann, der um das Turbinenstufenelement herumströmt. Dies ermöglicht eine
gezielte Steuerung des Fluidstroms durch die Durchströmöffnungen
und verringert ein ungezieltes Entweichen des Fluidstroms durch
die Randbereiche bzw. durch die Übergangsbereiche des
Turbinenstufenelements mit dem Turbinengehäuse. Damit kann der Wirkungsgrad
des Turbinenstufenelements erhöht
werden. Ferner kann ein durchgängiges
Dichtband nach Montage in der Turbine einfach nachbearbeitet werden.
Daher können Fertigungstoleranzen
leichter ausgeglichen werden, um einen Dichtigkeitsverlust zu reduzieren.
Bei einem konventionellen Einsatz von separaten Laufschaufeln aus
Faserverbund ist eine Nachbearbeitung häufig aufwändig, da die Kohlenstofffaser schaufeln
sehr spröde
sind und somit bei Einstellung der Länge der Turbinenschaufeln sich
häufig
Risse bilden, so dass diese ausgetauscht oder neu justiert werden
müssen.
Mittels des Dichtbands, welches beispielsweise auch aus einem metallischen
Material bestehen kann, kann in einfacher Art und Weise mittels
zum Beispiel Abschleifens, ein gewünschter Toleranzausgleich erzeugt
werden, so dass eine hohe Dichtigkeit bereitstellbar ist.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird bei der Herstellung des Anströmungsabschnitts
ein Ausrichten von Fasern des Faserverbundstoffs durchgeführt, so dass
die Fasern entsprechend eines vordefinierten Kraftverlaufs, welcher
in vorbestimmten Lastfällen durch
das Turbinenstufenelement verläuft,
ausgerichtet werden. Häufig
sind die Lastfälle
des Turbinenstufenelements bekannt, so dass daraufhin die möglicherweise
auftretenden Kraftverläufe
bekannt sind. Üblicherweise
wird in dem Turbinenstufenelement lediglich eine Kraft aufgrund
von Rotation erzeugt und ein Kraftfluss aufgrund der Kraftübertragung
der Strömungsenergie
des Fluidstroms auf das Turbinenstufenelement. Fasern eines Faserverbundwerkstoffs
sind üblicherweise
insbesondere auf Zug belastbar, so dass bei bekannten bzw. vordefinierten Kraftverläufen die
Fasern derart optimiert ausgerichtet werden können, so dass bevorzugterweise
die auftretenden Lastfälle übertragen
werden können. Da
im Gegenzug nicht vorkommende Lastfälle ausgeschlossen werden können, können unnötig verlegte
und ausgerichtete Fasern vermieden werden. Dadurch kann die gesamte
Festigkeit erhöht
werden und/oder das Gesamtgewicht des Anströmungsabschnitts reduziert werden.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
können
die Fasern des Faserverbundwerkstoffs mittels zugeschnittenen Lagen,
Prepregs, maschineller Flechtung und/oder maschineller Wicklung
bereitgestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Herstellen des Turbinenstufenelements ferner ein Bereitstellen
einer Negativformvorrichtung des Turbinenstufenelements auf. Die Negativformvorrichtung
weist eine Negativform des Turbinenstufenelements und eine Negativform
des aerodynamischen Profils des Turbinenstufenelements entlang der
Durchströmöffnung auf.
Mittels der Bereitstellung einer solchen Negativform kann das Turbinenstufenelement
in Serie hergestellt werden. Mit anderen Worten wird die Produktionszeit
derart reduziert, da eine einzige Negativformvorrichtung für eine Vielzahl
von Turbinenstufenelementen verwendet werden kann, um diese sicherzustellen.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Herstellen des Turbinenstufenelements ferner ein Beschichten mit
einem dämpfenden
Material auf. Das dämpfende
Material kann einen Einschlag eines Tropfens des Fluidstroms dämpfen.
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Mit
anderen Worten wird mittels der Erfindung ein Turbinenstufenelement
bereitgestellt, welches nicht aus separaten Schaufeln mit Schaufelfüßen hergestellt
wird, sondern einstöckig,
integral bzw. im Verbund. Beispielsweise kann zudem auf einem Befestigungsring
aus Metall, z. B. aus Stahl, der gesamte Anströmungsabschnitt bestehend aus
dem Faserverbundwerkstoff angebracht werden. Die Fasern des Anströmungsabschnitts
können
entsprechend des vordefinierten Kraftverlaufs ausgerichtet und gelegt
werden. Es können
entweder zugeschnittene Lagen gelegt werden oder die Fasern einzeln maschinell
geflochten oder gewickelt werden. Ebenfalls ist eine Mischung verschiedener
Herstellverfahren möglich.
Zudem kann ein Mantelflächenabschnitt bereitgestellt
werden, bei welchem die Fasern des Faserverbundwerkstoffs in Umfangsrichtung,
z. B. kreisförmig,
verlaufen. Auf einen solchen Mantelflächenabschnitt (Deckband) können Dichtbänder angebracht
werden, welche einerseits aus Faserverbund oder aus Stahl hergestellt
werden können.
Mittels des Befestigungsrings aus Stahl kann eine Stahl-Stahl-Montage
auf der Rotorwelle bereitgestellt werden, so dass beispielsweise
der Befestigungsring mittels Schrumpfens, Schweißens, Verschraubens, Verstiftens
oder anderer geeignete Befestigungsmittel auf die Rotorwelle angebracht
werden kann. Die Dichtbänder
können,
wie bereits erläutert,
ebenfalls aus Stahl bestehen, so dass diese nachträglich nach dem
Befestigen des Turbinenstufenelements auf der Rotorwelle fein nachgedreht
werden können,
so dass in einfacher Art und Weise eine Fertigungstoleranz ausgeglichen
werden kann, ohne eine Dichtigkeit zu verlieren. Durch das geringere
Gewicht des Turbinenstufenelements aufgrund des Einsatzes von Faserverbundwerkstoffen
und aufgrund der steiferen Bauart des Turbinenstufenelements, sowie
aufgrund dessen, dass kein Schaufelfuss mehr notwendig ist, der
bei Faserverbundbauweise eines der begrenzenden Bauteile ist, im
Vergleich zu separat und einzeln angeordneten Turbinenschaufeln
kann die Strömungsfläche des
Turbinenstufenelements er höht werden,
ohne dass Verformungen oder Defekte im Betrieb der Turbine erzeugt
werden. Andererseits kann auch die Drehzahl der Rotorwelle erhöht werden,
da durch das geringere Gewicht des Turbinenstufenelements im Vergleich
zu einer reinen Stahl-Turbinenstufe eine geringere Fliehkraft in
dem Befestigungsabschnitt an der Rotorwelle entsteht.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung
mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere
sind einige Ausführungsformen
der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen
der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann
wird jedoch bei der Lektüre
dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit
anders angegeben, zusätzlich
zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand
gehören,
auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen
Typen von Erfindungsgegenständen
gehören.
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Im
Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der
vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Turbinenstufenelements für eine Turbine
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform;
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Turbinenstufenelements, wie in 1 gezeigt,
in einer Seitendarstellung;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung des Turbinenstufenelements mit einer
weiteren Durchströmöffnung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform;
und
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4 zeigt
eine perspektivische Darstellung des Turbinenstufenelements mit
vorbestimmten aerodynamischen Profilen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung.
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Gleiche
oder ähnliche
Komponenten sind in der Figur mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Die Darstellung in der Figur ist schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt
ein Turbinenstufenelement 100 für eine Turbine. Das Turbinenstufenelement 100 weist
zumindest eine Durchströmöffnung 101 für einen
Fluidstrom Fs der Turbine auf. Das Turbinenstufenelement 100 weist
entlang der Durchströmöffnung 101 ein
vorbestimmtes aerodynamisches Profil 102 auf. Das Turbinenstufenelement 100 kann
ferner einen Faserverbundwerkstoff aufweisen.
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In 1 sind
die aerodynamischen Profile 102 der Durchströmöffnungen 101 zweidimensional dargestellt,
so dass hierbei das aerodynamische Profil 102 als elliptische
bzw. ovale Form bzw. ovale Durchströmöffnung 101 in dem
Turbinenstufenelement 100 dargestellt wird. Eine perspektivische
Darstellung des aerodynamischen Profils 102 ist 4 zu
entnehmen. In dem Anströmungsabschnitt 103 des
Turbinenstufenelements 100, welcher beispielsweise zwischen
dem Mantelflächenabschnitt 107 und dem
Befestigungsring 106 des Turbinenstufenelements 100 angeordnet
ist, befinden sich die Durchströmöffnungen 101.
Durch die Durchströmöffnungen 101 strömt der Fluidstrom
Fs, wobei an den Materialbereichen zwischen den Durchströmöffnungen 101 der
Fluidstrom Fs eine Strömungsenergie
an das Turbinenstufenelement 100 abgibt und somit eine Drehung
des Turbinenstufenelements 100 und dem Mittelpunkt M bzw.
um die Rotorwelle 105 erzeugt.
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Der
Befestigungsring 106 ist in einer Befestigungsöffnung 104 des
Turbinenstufenelements 100 angeordnet. Der Befestigungsring 106 kann
dabei aus Metall bestehen, während
der Anströmungsabschnitt 103,
welcher an dem Befestigungsring 106 angebracht ist, aus
einem Faserverbundwerkstoff bestehen kann.
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Der
Faserverbundwerkstoff des Anströmungsabschnitts 103 kann
mittels Klebens, Aninfiltrierens oder Schweißens angebracht werden. Der Befestigungsring 106 kann
ferner im Bereich der Befestigungsfläche mit dem Anströmungsabschnitt 103 ein
Metallnetz aufweisen, durch welches Fasern des Anströmungsabschnitts 103 eingearbeitet
werden, um somit eine Befestigung beider Elemente zu erzielen.
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Ferner
zeigt 1 einen beispielhaften Verlauf einer Faser 109 des
Faserverbundwerkstoffs. Dabei ist dargestellt, dass beispielsweise
im Bereich des Mantelbereichs 107 die Fasern kreisförmig bzw. in
Umfangsrichtung verlaufen, um einen stabilen Abschluss bzw. eine
stabile Kante des Turbinenstufenelements 100 zu bilden.
Eine einzelne Faser 109 kann beispielsweise, wie in 1 dargestellt,
gleichzeitig entlang des Mantelflächenabschnitts 107 verlaufen und
in ihrem weiteren Verlauf entlang 101 das vorbestimmte
aerodynamische Profil 102 ausbilden und in ihrem weiteren
Verlauf entlang der Befestigungsöffnung 104 ebenfalls
in Umfangsrichtung verlaufen. Die einzelnen Fasern 109 können dabei
beispielsweise mittels Lagen oder Prepregs aufgebracht werden. Ferner
kann das gesamte Turbinenstufenelement 100 mittels Webens
oder Flechtens hergestellt werden.
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Da
der Befestigungsring 106 aus Metall besteht, kann eine
robuste Stahl-Stahl-Verbindung mit der aus Stahl bestehenden Rotorwelle 105 bereitgestellt
werden.
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Ferner
zeigt 1 ein Dichtband 108, welches auf dem
Mantelflächenabschnitt 107 angeordnet
ist. Das Dichtband 108 kann einen Spalt zwischen dem Turbinenstufenelement 100 und
ein Turbinengehäuse
abdichten, so dass wenig Fluidströmung Fs in einem Spalt hindurchfließt, sodass
ein Strömungsverlust
durch den Spalt reduziert wird. Das Dichtband 108 kann
aus Kohlenstofffaser oder auch aus Metall bestehen. Das Dichtband
kann entweder integral mittels des Faserverbundwerkstoffs in dem
Mantelflächenabschnitt
mit eingeflochten werden oder in einer Befestigungsnut des Mantelflächenabschnitts 107 befes tigt
werden. Das Dichtband 108 kann nach der Montage des Turbinenstufenelements 100 auf
der Rotorwelle 105 bearbeitet und angepasst werden, so
dass Fertigungstoleranzen nach Einbau des Turbinenstufenelements 100 noch
umgesetzt werden können.
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2 zeigt
eine Seitendarstellung des Turbinenstufenelements 100 aus 1.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung des Turbinenstufenelements 100 mit
weiteren Durchströmöffnungen 110.
In einer radialen Richtung r des zylinderförmigen Turbinenstufenelements 100 sind die
Durchgangsöffnungen 101 und
die weiteren Durchgangsöffnungen 110 nacheinander
angeordnet. Mit anderen Worten können
die Durchlassöffnungen 101, 110 in
radialer Richtung r gestuft ausgeführt werden. Dabei können eine
beliebige Anzahl von Durchlassöffnungen 101, 110 nacheinander
radial angeordnet werden. Z. B. können auch wellennah m Durchlassöffnungen 101 gleichmäßig über den Umfang
des zylinderförmigen
Turbinenstufenelements 100 verteilt werden und am äußeren Umfang in
radialer Richtung r des Turbinenstufenelements 100n weitere
Durchlassöffnungen 110 gleichmäßig oder
ungleichmäßig verteilt
werden. Die Anzahl der m Durchlassöffnungen 100 kann
unterschiedlich zu den n weiteren Durchlassöffnungen 110 gewählt werden,
z. B. m < n. Somit
können
eine Vielzahl von Anordnungen von Durchlassöffnungen 101, 110 ermöglicht werden,
sodass ein gewünschtes
Durchströmmuster
des Fluidstromes Fs bereitgestellt werden kann.
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4 zeigt
eine perspektivische Darstellung des Turbinenstufenelements 100 für die Turbine.
Der Anströmungsabschnitt 103 kann
dabei aus Faserverbundwerkstoff bestehen. In dem Mantelflächenabschnitt 107 sind
die Faserverläufe 109 schematisch dargestellt,
wobei hierbei angedeutet werden soll, dass der Faserverlauf kreisförmig bzw.
in Umfangsrichtung verlaufen kann. Das Dichtband 108 kann
auf den Mantelflächenabschnitt 107 aufgebracht
werden. Um den Mittelpunkt M ist die Befestigungsöffnung 104 des
Turbinenstufenelements 100 ausge bildet. An der Befestigungsöffnung 104 kann
der Befestigungsring 106 angeordnet werden.
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Ferner
wird in 4 beispielhaft das aerodynamische
Profil 102 dargestellt, welches durch die Profilflächen 303 an
den Durchströmöffnungen 101 erzeugt
werden kann. Das aerodynamische Profil 102 wird durch Profilflächen 303 des
Turbinenstufenelements 100 bzw. durch Profilflächen 303 des
Anströmungsabschnitts 103 geschaffen.
Die Profilflächen 303 weisen
Flächen
auf, entlang welcher der Fluidstrom Fs entlangströmen kann,
so dass derart geführt
wird, dass der Fluidstrom Fs Strömungsenergie
an das Turbinenstufenelement 100 abgibt. Die Profilflächen 303 weisen
dabei Vorderkanten 301 und Hinterkanten 302 auf.
In ihrem Verlauf ausgehend von dem Mittelpunkt M zu dem Mantelflächenabschnitt 107 können die
Profilflächen 303 sich
beispielsweise schraubenförmig
verdrehen, um eine gewünschte
Strömungsteuerung
des Fluidstroms Fs bereitzustellen.
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In
dem Fußbereich
der Profilflächen 303 wird dargestellt,
dass die Fasern 109 ebenfalls entlang der Befestigungsöffnung 104 in
Umfangsrichtung verlaufen, um ein gewünschtes Festigkeitsverhalten des
Turbinenstufenelements 100 zu bilden. Neben den in 4 dargestellten
Profilflächen 303 und
den sich somit ergebenden Formen der Durchströmöffnungen 101 bzw.
der aerodynamischen Profile 102 ist auch eine Vielzahl
anderer Profilformen möglich. 4 zeigt
lediglich eine beispielhafte Form der Durchströmöffnungen 101.
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Ebenso
zeigt 4, dass die Profilflächen 303 einstückig ausgebildet
sind und aus ein- und demselben Faserverbundwerkstoff herstellbar
sind. Damit kann das Turbinenstufenelement 100 integral gebildet
werden. Ferner ist der Mantelflächenabschnitt 107 und
der Fußbereich
um die Befestigungsöffnung 104 einstückig und
aus einem Faserverbundmaterial hergestellt, so dass eine erhöhte Steifigkeit des
gesamten Turbinenstufenelements 100 erzeugt werden kann.
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4 zeigt
weiterhin ein aerodynamisches Profil 102, bei welchem die
Profilfläche 303 beispielsweise
eine Länge
A aufweisen kann, welche ausgehend von der Befestigungsöffnung 104 in
Richtung Mantelflächenabschnitt 107 sich
erhöhen
kann. Aufgrund der erhöhten
Steifigkeit des integral ausgebildeten Turbinenstufenelements 100 können solche Profilformen
umgesetzt werden, da beispielsweise Kräfte entlang der Umfangsrichtung
auch über
dem Mantelflächenabschnitt 107 und über dem
Fußbereich
bzw. dem Befestigungsring 106 in Umfangsrichtung übertragen
werden können.
Im Vergleich zu einzeln befestigten Turbinenschaufeln besteht gerade
in dem Mantelflächenabschnitt 107 keine
oder nur eine wenig gegenseitige Versteifungen (Koppelelemente), so
dass Kräfte
in Umfangsrichtung in einem Kraftfluss, welcher ausschließlich über dem
Fußbereich der
einzelnen Turbinenschaufeln verläuft, übertragen werden.
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Ergänzend ist
darauf hinzuweisen, dass ”umfassend” keine
anderen Elemente oder Schritte ausschließt und ”eine” oder ”ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis
auf eines der obigen Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen
oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden
können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen
sind nicht als Einschränkung
anzusehen.