DE102009012749B4

DE102009012749B4 - Endstufe mit Faserverbund

Info

Publication number: DE102009012749B4
Application number: DE200910012749
Authority: DE
Inventors: Christoph Ebert; Stefan Effmert; Prof. Hufenbach Werner; Markus Mantei
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: DE102009012749A1

Abstract

Turbinenstufenelement für eine Turbine, das Turbinenstufenelement (100) aufweisend
zumindest eine in dem Turbinenstufenelement (100) ausgebildete Durchströmöffnung (101) für einen Fluidstrom (Fs), und
einen Befestigungsring (106),
wobei das Turbinenstufenelement (100) einen Faserverbundwerkstoff aufweist und wobei das Turbinenstufenelement (100) entlang der Durchströmöffnung (101) ein vorbestimmtes aerodynamisches Profil (102) aufweist,
wobei das Turbinenstufenelement (100) zylinderförmig mit einem Zylindermittelpunkt (M) ausgebildet ist,
wobei das Turbinenstufenelement (100) um den Zylindermittelpunkt (M) eine Befestigungsöffnung (104) aufweist,
wobei der Befestigungsring (106) an der Befestigungsöffnung (104) angebracht ist, und
wobei das Turbinenstufenelement (100) mittels des Befestigungsrings (106) an einer Rotorwelle (105) der Turbine befestigbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Befestigungsring (106) ein metallischer Befestigungsring (106) mit einem Metallnetz ist, und
in das Metallnetz Fasern (109) des Faserverbundwerkstoffs eingebracht sind, so dass der Befestigungsring (106) an der Befestigungsöffnung (104) befestigt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinenstufenelement für eine Turbine und ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Turbinenstufenelements für eine Turbine.
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.
In konventionellen Turbinen wird daher versucht, die Masse der einzelnen Laufräder zu verringern, indem beispielsweise in solchen Laufrädern Faserverbundschaufeln, beispielsweise aus CFK, eingesetzt werden.
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.
US 3,501,090 A offenbart einen Turbinenflügel, welcher aus Verbundmaterial hergestellt ist. Auf einer inneren runden Scheibe bilden Sockelelemente eine Plattform, entlang welcher ein Fluidstrom der Turbine axial strömt. Zwischen den Sockelelementen verlaufen Fasern der Turbinenflügel radial in Richtung Turbinenachse und werden an der Scheibe befestigt. An einem entgegengesetzten Ende der Turbinenflügel werden diese durch ein Deckband zusammengehalten.
GB 2 069 065 A offenbart einen Gasturbinenrotor aus Keramik. Der Keramikrotor kann in einem Stück gefertigt werden. Ferner weist der Keramikrotor eine innere Reihe von Turbinenflügeln und eine äußere Reihe von Kompressorflügeln auf. Die Turbinenflügel und die Kompressorflügel werden durch ein Deckband in axialer Richtung getrennt.
US 3,403,844 A offenbart einen Rotor einer Turbine, wobei eine Trägerstruktur des Rotors integral mit Rotorflügel ausgebildet ist. Ein zentrales Trägerelement sowie die Rotorflügel sind aus einem Fasermaterial hergestellt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Turbinenstufe einer Turbine zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit einem Turbinenstufenelement für eine Turbine und mit einem Herstellverfahren zum Herstellen eines Turbinenstufenelements gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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.
Erfindungsgemäß 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.
Erfindungsgemäß 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.
Erfindungsgemäß 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. Erfindungsgemäß sind in das Metallnetz Fasern des Faserverbundwerkstoffs eingebracht, so dass der Befestigungsring an der Befestigungsöffnung befestigt ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Herstellverfahren zum Herstellen eines oben beschriebenen 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.
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.
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.
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 verschiedener 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.
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.
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.
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.
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.
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 Durchgangsöffnung nacheinander angeordnet. Mit anderen Worten können die Durchlassöffnungen 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.
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 Faser verbund-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 Kraftschlussverbindungen häufig ein zügigeres Montieren im Vergleich zu formschlüssigen Verbindungen ermöglichen, kann somit der Montagevorgang des Turbinenstufenelements auf der Rotorwelle beschleunigt werden.
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.
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.
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. Mantelfläche des Turbinenstufenbereichs geschaffen werden, da keine Faserbündel beispielsweise radial überstehen.
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.
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.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können die Fasern des Faserverbundwerkstoffs mittels zugeschnittenen Lagen, Prepregs, maschineller Flechtung und/oder maschineller Wicklung bereitgestellt werden.
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 Warten wird die Produktionszeit derart reduziert, da eine einzige Negativformvorrichtung für eine Vielzahl von Turbinenstufenelementen verwendet werden kann, um diese sicherzustellen.
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.
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 erhöht 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.
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.
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Turbinenstufenelements für eine Turbine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 zeigt eine schematische Darstellung des Turbinenstufenelements, wie in 1 gezeigt, in einer Seitendarstellung;
3 zeigt eine schematische Darstellung des Turbinenstufenelements mit einer weiteren Durchströmöffnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
4 zeigt eine perspektivische Darstellung des Turbinenstufenelements mit vorbestimmten aerodynamischen Profilen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in der Figur mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in der Figur ist schematisch und nicht maßstäblich.
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.
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.
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.
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.
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.
Da der Befestigungsring 106 aus Metall besteht, kann eine robuste Stahl-Stahl-Verbindung mit der aus Stahl bestehenden Rotorwelle 105 bereitgestellt werden.
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 befestigt 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.
2 zeigt eine Seitendarstellung des Turbinenstufenelements 100 aus 1.
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.
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 ausgebildet. An der Befestigungsöffnung 104 kann der Befestigungsring 106 angeordnet werden.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Turbinenstufenelement für eine Turbine, das Turbinenstufenelement (100) aufweisend zumindest eine in dem Turbinenstufenelement (100) ausgebildete Durchströmöffnung (101) für einen Fluidstrom (Fs), und einen Befestigungsring (106), wobei das Turbinenstufenelement (100) einen Faserverbundwerkstoff aufweist und wobei das Turbinenstufenelement (100) entlang der Durchströmöffnung (101) ein vorbestimmtes aerodynamisches Profil (102) aufweist, wobei das Turbinenstufenelement (100) zylinderförmig mit einem Zylindermittelpunkt (M) ausgebildet ist, wobei das Turbinenstufenelement (100) um den Zylindermittelpunkt (M) eine Befestigungsöffnung (104) aufweist, wobei der Befestigungsring (106) an der Befestigungsöffnung (104) angebracht ist, und wobei das Turbinenstufenelement (100) mittels des Befestigungsrings (106) an einer Rotorwelle (105) der Turbine befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsring (106) ein metallischer Befestigungsring (106) mit einem Metallnetz ist, und in das Metallnetz Fasern (109) des Faserverbundwerkstoffs eingebracht sind, so dass der Befestigungsring (106) an der Befestigungsöffnung (104) befestigt ist.
Turbinenstufenelement nach Anspruch 1, aufweisend einen Anströmabschnitt (103) in welchem die Durchströmöffnung (101) ausgebildet ist, wobei der Anströmabschnitt (103) vollständig aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.
Turbinenstufenelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Faserverbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Keramikfasern und/oder polymeren Verstärkungsfasern und/oder aus Matrixwerkstoffen aus Duroplast, insbesondere aus Epoxidharz, Keramik, Kohlenstoff und/oder Thermoplast besteht.
Turbinenstufenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend zumindest eine weitere in dem Turbinenstufenelement (100) ausgebildete Durchströmöffnung (110), wobei in radialer Richtung (r) des zylinderförmigen Turbinenstufenelements (100) die Durchgangsöffnung (100) und die weitere Durchgangsöffung (110) nacheinander angeordnet sind.
Turbinenstufenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Befestigungsring (106) an der Befestigungsöffnung (104) mittels Klebens, Aninfiltirerens oder Schweißens angebracht ist.
Turbinenstufenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend einen Mantelflächenabschnitt (107), wobei Fasern (109) des Faserverbundwerkstoffs in dem Mantelflächenabschnitt (107) in Umfangsrichtung des Turbinenstufenelements (100) verlaufen.
Turbinenstufenelement nach Anspruch 6, ferner aufweisend ein Dichtband (108), wobei das Dichtband (108) an dem Mantelflächenabschnitt (107) derart befestigt ist, dass eine Dichtung gegenüber einem Turbinengehäuse der Turbine bereitstellbar ist.
Herstellverfahren zum Herstellen eines Turbinenstufenelements (100) für eine Turbine, das Herstellverfahren aufweisend Herstellen eines Turbinenstufenelements (100) mit einem Anströmabschnitt (103), wobei der Anströmabschnitt (103) einen Faserverbundwerkstoff aufweist, Ausbilden einer Durchströmöffnung (101) für einen Fluidstrom (Fs) der Turbine in dem Anströmabschnitt (103) des Turbinenstufenelements (100), und Anbringen eines Befestigungsrings (106) an einer Befestigungsöffnung (104) des Turbinenstufenelements (100), wobei das Turbinenstufenelement (100) zylinderförmig mit einem Zylindermittelpunkt (M) ausgebildet wird, wobei das Turbinenstufenelement (100) um den Zylindermittelpunkt (M) die Befestigungsöffnung (104) aufweist, wobei das Turbinenstufenelement (100) mittels des Befestigungsrings (106) an einer Rotorwelle (105) befestigt wird, und wobei das Turbinenstufenelement (100) entlang der Durchströmöffnung (101) ein vorbestimmtes aerodynamisches Profil (102) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass in ein Metallnetz Fasern (109) des Faserverbundwerkstoffs eingebracht werden, so dass der Befestigungsring (106) ein metallischer Befestigungsring (106) mit einem Metallnetz ist, der an der Befestigungsöffnung (104) befestigt ist.
Herstellverfahren nach Anspruch 8, wobei das Herstellen des Anströmabschnitts (103) ferner ein Ausrichten von Fasern (109) des Faserverbundwerkstoffs derart aufweist, dass die Fasern (109) entsprechend eines vordefinierten Kraftverlaufs, welcher in vorbestimmten Lastfällen durch das Turbinenstufenelement (100) verläuft, ausgerichtet werden.
Herstellverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Fasern (109) des Faserverbundwerkstoffs mittels zugeschnittenen Lagen, Prepregs, maschineller Flechtung und/oder maschineller Wicklung verarbeitet werden.
Herstellverfahren einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Herstellen des Turbinenstufenelements (100) ferner ein Bereitstellen einer Negativformvorrichtung des Turbinenstufenelements (100) aufweist, und wobei die Negativformvorrichtung eine Negativform des Turbinenstufenelements (100) und eine Negativform des aerodynamischen Profils (102) des Turbinenstufenelements (100) entlang der Durchströmöffnung (101) aufweist.
Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, Befestigen des Befestigungsrings (106) an einer Rotorwelle (105) der Turbine mittels Schrumpfens, Schweißens, Verschraubens und/oder Verstiftens.
Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Herstellen des Turbinenstufenelements (100) ferner ein Beschichten mit dämpfendem Material aufweist, wobei das dämpfende Material einen Einschlag eines Tropfens des Fluidstroms (Fs) dämpft.