DE102009040299A1

DE102009040299A1 - Einlaufbelag und Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102009040299A1
Application number: DE200910040299
Authority: DE
Inventors: Marius Theune; André Dr. Werner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-10

Abstract

Ein Einlaufbelag (10) eines Rotors einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, weist eine profilierte Oberfläche (12) auf, die eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden, umfangsmäßig beabstandeten, langgestreckten, axial verlaufenden Vertiefungen (14) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Einlaufbelag eines Rotors einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, sowie einer Strömungsmaschine mit einem Rotor, an dem mehrere Schaufeln angeordnet sind.
Aus dem Stand der Technik sind Einlaufbeläge für Rotoren von Strömungsmaschinen bekannt, die eine wabenförmige Struktur aufweisen, wobei die Waben ein relativ weiches, abtragbares Material beinhalten.
Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, den Einlaufbelag als kompakte Schicht ohne Wabenstruktur aufzubringen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Einlaufbelag eines Rotors einer Strömungsmaschine zu schaffen, der eine aerodynamische Optimierung der Strömungsmaschine ermöglicht, sowie eine Strömungsmaschine mit einem solchen Einlaufbelag.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Einlaufbelag eines Rotors einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einer profilierten Oberfläche gelöst, die eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden, umfangsmäßig beabstandeten, langgestreckten, axial verlaufenden Vertiefungen aufweist.
Ein solcher strukturierter Einlaufbelag mit voneinander beabstandeten Vertiefungen, die in axialer Richtung und somit senkrecht zur Umlaufrichtung des Rotors verlaufen, ermöglicht eine Verbesserung der strömungstechnischen Eigenschaften der Strömungsmaschine. Die Erstreckung wird durch die Längsachse der Vertiefungen definiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen zumindest einige der Vertiefungen einen Boden auf, der sich in Axialrichtung unterschiedlich tief, d. h. radial unterschiedlich weit, in den Einlaufbelag erstreckt. Die Struktur des Einlaufbelags wird dadurch auch in radialer Richtung verändert.
Vorzugsweise verlaufen die Vertiefungen in Axialrichtung zunehmend radial nach innen, insbesondere linear. Auf diese Weise können die Vertiefungen des Einlaufbelags gut an strömungstechnisch optimierte Schaufelspitzen angepasst werden, die beispielsweise in Axialrichtung linear zunehmend radial nach innen verlaufen.
Es ist möglich, dass die Vertiefungen in axialer Richtung eine sich ändernde umfangsmäßige Breite haben. Dies ermöglicht eine Variation der Einlaufbelagsstruktur in Umfangsrichtung.
Die Breite der Vertiefungen in Umfangsrichtung kann, gemessen in Axialrichtung, abnehmen, insbesondere linear abnehmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Vertiefungen in axialer Richtung konisch und vorzugsweise spitz zu.
Alternativ kann die Breite der Vertiefungen, in Umfangsrichtung gemessen, zumindest im, bezogen auf die Axialrichtung, mittleren Abschnitt konstant sein.
Vorzugsweise verlaufen die Seitenwände der Vertiefungen ausschließlich in axialer und/oder radialer Richtung. Auf diese Weise bleiben die aerodynamischen Eigenschaften der Vertiefungen auch bei Abtrag des Einlaufbelags im Wesentlichen erhalten.
Die obige Aufgabe wird auch durch eine Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, gelöst, mit einem Rotor, an dem mehrere Schaufeln angeordnet sind, und einem oben beschriebenen Einlaufbelag, an dem die Schaufeln des Rotors anstreifen können.
Vorzugsweise erstrecken sich die Vertiefungen in axialer Richtung über im Wesentlichen die gesamte axiale Länge der angrenzenden Schaufelspitzen des Rotors, um aerodynamisch auf den Rotor abgestimmt werden zu können.
Die umfangsmäßige Breite der Vertiefungen kann größer sein als die größte Dicke der Schaufelspitze in Umfangsrichtung gemessen und/oder größer sein als der Abstand zwischen den Schaufelspitzen benachbarter Schaufeln des Rotors in Umfangsrichtung.
Vorzugsweise weisen die Schaufeln Schaufelspitzen auf, die, in Umfangsrichtung gesehen, in Axialrichtung zunehmend, insbesondere kontinuierlich, radial einwärts verlaufen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Einlaufbelagsegments gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Draufsicht auf den Einlaufbelag gemäß 1;
3a–b eine Schnittansicht zweier verschiedener Einlaufbeläge gemäß 1 und der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine im Bereich der Rotorspitze;
4 eine perspektivische Ansicht eines Einlaufbelagsegments gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
5 eine Draufsicht auf den Einlaufbelag gemäß 4; und
6a–b eine Schnittansicht zweier verschiedener Einlaufbeläge gemäß 4 und der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine im Bereich der Rotorspitze.
1 und 2 zeigen ein Segment eines ringförmigen Einlaufbelags 10 eines Rotors einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einer profilierten Oberfläche 12.
Die Oberfläche 12 weist eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden, umfangsmäßig beabstandeten, langgestreckten, axial verlaufenden Vertiefungen 14 auf. Die Hauptausbreitungsrichtung (Mittelachse) der Vertiefungen verläuft in axialer Richtung.
In der gezeigten Ausführungsform ist jede Vertiefung 14 spiegelsymmetrisch zu einer in axialer Richtung verlaufenden Symmetrieachse S.
Die Vertiefungen 14 haben in radialer und rein axialer Richtung verlaufende Seitenwände 16.
Der Boden 18 der Vertiefung 14 erstreckt sich in Abhängigkeit von der Axialrichtung unterschiedlich tief radial in den Einlaufbelag 10 (siehe 3a und 3b). Die Vertiefungen 14 verlaufen in Axialrichtung linear zunehmend radial nach innen.
Die Breite der Vertiefungen 14 (in Umfangsrichtung gemessen) nimmt in einem ersten Abschnitt in Axialrichtung zu, verläuft in einem mittleren Abschnitt konstant, und nimmt in einem hinteren Abschnitt ab. In der gezeigten Ausführungsform ist der vordere und hintere Abschnitt jeweils halbkreisförmig.
In den 3a und 3b sind jeweils Schnittansichten des Einlaufbelags 10 und Schaufelspitzen 20 eines Rotors einer Strömungsmaschine gezeigt. Die Schaufelspitzen 20 des Rotors verlaufen in Umfangsrichtung gesehen in Axialrichtung zunehmend radial einwärts.
Bei Betrieb der Strömungsmaschine können die Schaufeln mit den Schaufelspitzen 20 des Rotors am Einlaufbelag 10 anstreifen. Die Vertiefungen 14 des Einlaufbelags 10 erstrecken sich in axialer Richtung über im Wesentlichen die gesamte axiale Länge der angrenzenden Schaufelspitzen 20 des Rotors.
Die radiale Tiefe der Vertiefungen 14 ist so gewählt, dass der Boden 18 der Vertiefungen 14 in einem konstanten Abstand zu den Schaufelspitzen 20 der Rotorschaufeln, genauer gesagt zu deren radial äußeren Rand, verläuft, wie aus dem Schnitt in 3a oder 3b erkennbar ist.
In 3a verläuft die profilierte Oberfläche 12 im Wesentlichen kreiszylindrisch, d. h. der Radius der Oberfläche 12 am axial vorderen Ende und am axial hinteren Ende ist außerhalb der Vertiefungen 14 im Wesentlichen gleich.
In 3b verläuft die profilierte Oberfläche 12 dagegen in axialer Richtung zunehmend radial nach innen, d. h. der Radius der Oberfläche 12 ist am axial vorderen Ende größer als am axial hinteren Ende der Oberfläche 12, somit ergibt sich eine Kegelstumpfform für die Oberfläche 12 (die Vertiefungen 14 ausgenommen).
Die Vertiefungen 14 sind umfangsmäßig zueinander beabstandet. Die umfangsmäßige Breite einer Vertiefung 14 ist größer als die größte Dicke der Schaufelspitze 20 in Umfangsrichtung. Die Vertiefungen 14 erstrecken sich in axialer Richtung über im Wesentlichen die gesamte axiale Länge der angrenzenden Schaufelspitzen 20 des Rotors.
Ringränder 22 verlaufen am axial vorderen und hinteren Ende des Einlaufbelags 10 entlang des gesamten Umfangs radial nach innen und überlappen die Schaufelspitzen 20 in radialer Richtung, um die Leckgasströmung zu verringern.
In den 4 bis 6b ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Vertiefungen 14 verlaufen hier in axialer Richtung konisch. Am breiten Ende der Vertiefungen 14, in Axialrichtung vorne, erstreckt sich die jeweilige Vertiefung 14 radial am tiefsten in den Einlaufbelag 10. Die umfangsmäßige Breite der Vertiefung 14 ändert sich in axialer Richtung und nimmt linear ab. Die Vertiefung 14 läuft dabei spitz zu.
Auch die radiale Erstreckung des Bodens 18 der Vertiefung 14 nimmt in Axialrichtung linear ab.
Die Vertiefungen 14 sind wiederum jeweils spiegelsymmetrisch zu einer in axialer Richtung verlaufenden Symmetrieachse S.
In der in den 6a und 6b gezeigten Schnittansicht entspricht der Einlaufbelag 10 dem in den 3a und 3b gezeigten Einlaufbelag 10 gemäß der ersten Ausführungsform.
Im Folgenden wird die Funktion des Einlaufbelags 10 gemäß beider Ausführungsformen beschrieben.
Im Einlaufbetrieb der Strömungsmaschine streifen die Schaufelspitzen 20 der Schaufeln des Rotors am Einlaufbelag 10 an. Ein Teil des Einlaufbelags 10 wird dabei durch die Schaufelspitzen 20 abgetragen, wodurch sich ein optimaler Spalt zwischen Rotor und Einlaufbelag 10 der Strömungsmaschine einstellt. Die profilierte Oberfläche 12 mit den Vertiefungen 14 ermöglicht dabei eine aerodynamische Optimierung der Strömungsmaschine.
Durch die in radialer Richtung verlaufenden Seitenwände 16 bleiben die Proportionen der Vertiefungen und deren Abmessungen bei einem Abtrag von Material des Einlaufbelags 10 im Wesentlichen erhalten.
Bezugszeichenliste

10: Einlaufbelag
12: Oberfläche
14: Vertiefung
16: Seitenwand
18: Boden
20: Schaufelspitze
22: Ringrand
S: Symmetrieachse

Claims

Einlaufbelag (10) eines Rotors einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einer profilierten Oberfläche (12), die eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden, umfangsmäßig beabstandeten, langgestreckten, axial verlaufenden Vertiefungen (14) aufweist.
Einlaufbelag (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Vertiefungen (14) einen Boden (18) aufweisen, der sich in Axialrichtung unterschiedlich tief radial in den Einlaufbelag (10) erstreckt.
Einlaufbelag (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (14) in Axialrichtung zunehmend radial nach innen verlaufen, insbesondere linear.
Einlaufbelag (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (14) in axialer Richtung eine sich ändernde umfangsmäßige Breite haben.
Einlaufbelag (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Vertiefungen (14), in Umfangsrichtung gemessen, in Axialrichtung abnimmt, insbesondere linear abnimmt.
Einlaufbelag (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (14) in axialer Richtung konisch und vorzugsweise spitz zulaufen.
Einlaufbelag (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Vertiefungen (14), in Umfangsrichtung gemessen, in Axialrichtung zumindest im mittleren Abschnitt konstant ist.
Einlaufbelag (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (16) der Vertiefungen (14) ausschließlich in axialer Richtung verlaufen.
Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem Rotor, an dem mehrere Schaufeln angeordnet sind, und einem Einlaufbelag (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, an dem die Schaufeln des Rotors anstreifen können.
Strömungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vertiefungen (14) in axialer Richtung über im Wesentlichen die gesamte axiale Länge der angrenzenden Schaufelspitzen (20) des Rotors erstrecken.
Strömungsmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsmäßige Breite der Vertiefungen (14) größer ist als die größte Dicke der Schaufelspitze (20) in Umfangsrichtung und/oder größer ist als der Abstand zwischen den Schaufelspitzen (20) benachbarter Schaufeln des Rotors in Umfangsrichtung.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln Schaufelspitzen (20) aufweisen, die, in Umfangsrichtung gesehen, in Axialrichtung zunehmend, insbesondere kontinuierlich, radial einwärts verlaufen.