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Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Gasturbinen werden z. B. zum Antrieb von Flugzeugen oder auch zur Stromerzeugung in Kraftwerken zur Deckung von Spitzenlasten verwendet.
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Die Gasturbine weist im Allgemeinen einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt auf. In dem Verdichterabschnitt wird die angesaugte Verbrennungsluft zunächst unter Erwärmung verdichtet und dem Verbrennungsabschnitt zugeführt. In dem Verbrennungsabschnitt wird dann ein Brennstoff zugeführt, der durch Vermischung mit der verdichteten Verbrennungsluft verbrannt wird. Aufgrund der Verbrennung entsteht ein sehr heißes Arbeitsgas, welches unter einem hohen Druck steht. Das Arbeitsgas wird anschließend durch den Turbinenabschnitt geleitet, in dem das Arbeitsgas expandiert, um die Nutzarbeit und bei einer Verwendung der Gasturbine als Triebwerk für ein Flugzeug den nötigen Schub zu erzeugen. Der Turbinenabschnitt ist gebildet aus wechselweise angeordneten feststehenden Leitschaufelringen und in Drehung versetzbaren Laufschaufelringen, und kann unterteilt werden in einen Hochdruckabschnitt und einen Niederdruckabschnitt. Die Leitschaufelringe dienen in der Regel dazu, einen Vordrall des Arbeitsgases vor dem Eintritt in die Laufschaufelringe zu erzeugen, und den Druck des Arbeitsgases wahlweise durch Verzögerung, Beschleunigung zu senken bzw. zu erhöhen oder allgemein dazu, die Strömungsrichtung zu verändern. Die Laufschaufelringe des Hochdruckabschnittes sind verbunden mit den Laufschaufeln des Verdichterabschnittes und bilden gemeinsam mit diesen einen Rotor, so dass die Laufschaufelringe des Verdichterabschnittes durch die Laufschaufelringe des Turbinenabschnitts angetrieben werden. Die Laufschaufelringe des Niederdruckabschnittes treiben ein vor dem Verdichterabschnitt befindliches Laufrad an, über das die Verbrennungsluft angesaugt wird. Dieses Laufrad wird auch als Fan bezeichnet.
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Da das Arbeitsgas nach dem Austritt aus dem Verbrennungsabschnitt eine sehr hohe Temperatur von ca. 1000 bis 2000 Grad Celsius aufweist, müssen an den Laufschaufeln und den Leitschaufeln des Hochdruckabschnitts besondere Maßnahmen zur Kühlung getroffen werden, da die Temperatur der Arbeitsgase den Schmelzpunkt der betroffenen Bauteile übersteigen kann, oder durch die Temperatur die Werkstofffestigkeit auf ein kritisches Maß herabgesetzt werden kann. In dem Niederdruckabschnitt ist die Temperatur der Arbeitsgase durch die Expansion in dem Hochdruckabschnitt und die Kühlung bereits so weit abgesenkt, dass der Schmelzpunkt der Bauteile des Niederdruckbereichs nicht mehr überschritten wird. Eine besondere Kühlung der Leit- und Laufschaufelringe in dem Niederdruckabschnitt der Gasturbine ist deshalb in der Regel nicht erforderlich.
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Die Kühlung der Lauf- und Leitschaufelringe des Hochdruckabschnitts erfolgt dadurch, dass in den Schaufeln der Laufschaufelringe und der Leitschaufelringe Kühlkanäle vorgesehen sind, durch die ein Kühlmedium strömt.
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Ferner ist aus der
EP 816 526 B1 ein Wärme dämmendes Beschichtungssystem bekannt, welches auf der Oberfläche der Schaufeln angeordnet wird und verhindert dass die Schaufeln sich übermäßig erhitzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine zu schaffen, welche einen verbesserten Wirkungsgrad und eine höhere Lebensdauer aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren sowie der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, dass an der Oberfläche der Schaufeln des Leitschaufelringes in Strömungsrichtung des Arbeitsgases stromabwärts hinter dem Profilschwerpunkt wenigstens abschnittsweise eine Wärme isolierende Schicht vorgesehen ist.
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Es hat sich durch aufwendige Untersuchungen herausgestellt, dass sich die Schaufeln des Leitschaufelringes in dem Niederdruckabschnitt des Turbinenabschnittes insbesondere in der Startphase der Gasturbine ungleichmäßig erwärmen, was auf die unterschiedliche Dicke der Schaufeln entlang der Strömungsrichtung zurückzuführen ist. Da der Strömungskanal senkrecht zu der Strömungsrichtung durch zwei Schaufeln begrenzt wird, welche in Schnittrichtung des Strömungskanals eine unterschiedliche Dicke aufweisen, führt die unterschiedliche Verformung der Schaufeln auch dazu, dass die Querschnittsfläche des Strömungskanals zwischen den Schaufeln verändert wird. Aufgrund der veränderten Querschnittsfläche verändern sich die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsrichtung des Arbeitsgases, was bei besonderen Arbeitsbedingungen der Turbine (Hot Operator) zu Wirkungsgradverlusten der Gasturbine und einer Überbelastung der beteiligten Bauteile führt. Besondere Arbeitsbedingungen sind z. B. der Betrieb bei hohen Außentemperaturen (z. B. in Wüstenregionen) und/oder hochgelegenen Regionen mit geringem Luftdruck. Aufgrund der Wirkungsgradverluste ist die Leistung der Gasturbine geringer, was wiederum dazu führt, dass aufgrund der Regelung der Gasturbine die Brennstoffzufuhr zur Leistungssteigerung erhöht wird, und die Gasturbine sich selbst unnötig aufheizt. Im Extremfall kann die dadurch bewirkte Überbelastung der Gasturbine zu einer signifikanten Verkürzung der Lebensdauer der Gasturbine insgesamt oder zumindest zu verkürzten Wartungsintervallen führen. Eine solche Problematik ergibt sich insbesondere wenn die Gasturbine als Triebwerk für ein Flugzeug genutzt wird, und das Flugzeug in heißen Ländern und/oder hoch gelegenen Flughäfen startet.
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Aufgrund der vorgeschlagenen Lösung wird der Wärmeeintrag in die Schaufeln des Leitschaufelringes in dem stromabwärts hinter dem Profilschwerpunkt der jeweiligen Schaufel befindlichen Bereich zumindest verringert. Durch den verminderten Wärmeeintrag wird die wärmebedingte Verformung der Schaufeln in diesem Bereich in Aufheizphasen des Betriebs, wie z. B. beim Take-Off, reduziert, was wiederum zur Folge hat, dass sich die Querschnittsfläche des Strömungskanals weniger verändert, und die Strömungsverhältnisse in der Startphase weniger von den der Auslegung der Gasturbine zugrundeliegenden Strömungsverhältnissen abweichen. Insgesamt werden dadurch die Wirkungsgradverluste und die Belastung der beteiligten Bauteile verringert.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Wärme isolierende Schicht auf der konvexen Seite der Schaufeln angeordnet ist. Die Anordnung der Wärme isolierenden Schicht auf der konvexen Seite der Schaufeln hat den Vorteil, dass sich die Querschnittsfläche des Strömungskanals bei einer dennoch vorhandenen geringfügigen Verformung der Schaufeln im Bereich der wärme isolierenden Schicht verringert, so dass die Strömungsgeschwindigkeit und die Umlenkung des Arbeitsgases am Austritt aus dem Leitschaufelring sogar erhöht wird, was insgesamt zu einer Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung der Gasturbine genutzt werden kann.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Fläche der Wärme isolierenden Schicht in Richtung der abnehmenden Dicke des Profilquerschnittes zunimmt. Da die Verformung der dünnen Schaufelbereiche in der Aufheizphase bei gleichen Energieflussdichten, also dem ortsaufgelösten Energieeintrag, größer ist als in dickeren Schaufelbereichen, wird durch die vorgeschlagene in Richtung der abnehmenden Dicke des Profilquerschnitts vergrößerte Fläche der Wärme isolierenden Schicht, der Wärmeeintrag in die Schaufel proportional verringert und die wärmebedingte Verformung der Schaufel insgesamt vergleichmäßigt.
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Insbesondere kann die Wärme isolierende Schicht über die Fläche eine unterschiedliche Dicke aufweisen, so dass auch durch die unterschiedliche Dicke der Wärme isolierenden Schicht, eine gleichmäßigere Verformung der Schaufel erzielt werden kann.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Geometrie der Wärme isolierenden Schicht der Verteilung eines Temperaturniveaus bei der Erwärmung der Schaufel entspricht. Die Verteilung des Temperaturniveaus, welches vorher festgelegt wird, kann z. B. in Versuchen oder in einer Computersimulation bestimmt werden, so dass z. B. auch in der Schaufel liegende Rippen oder Kontaktpunkte zu anliegenden Bauteilen wie z. B. dem Gehäuse, welche einen Einfluss auf die Temperaturverteilung haben, bei der Auslegung der Geometrie der Wärme isolierenden Schicht mit berücksichtigt werden können. Insgesamt kann die wärmebedingte Verformung dadurch auch bei einer komplexen Struktur der Schaufel vergleichmäßigt werden. Die Geometrie der Wärme isolierenden Schicht kann dabei sowohl in der äußeren Umrandung wenigstens an einer Seite dem Verlauf einer Isotherme entsprechen, deren Verlauf durch eine vor dem Aufbringen der Wärme isolierenden Schicht durchgeführte Analyse der Wärmeverteilung ermittelt wurde. Ferner kann die Wärme isolierende Schicht auch eine an die Verteilung eines Temperaturniveaus angepasste Dickenverteilung aufweisen, so dass Bereiche der Schaufel, welche einer besonders hohen Temperatur ausgesetzt sind durch einen Abschnitt der Wärme isolierenden Schicht mit einer größeren Dicke entsprechend besser isoliert werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass in der Schaufel ein von einem Kühlmedium durchströmbarer Kühlkanal vorgesehen ist, und die Wärme isolierende Schicht angrenzend zu der dem Kühlkanal zugeordneten Oberfläche der Schaufel angeordnet ist. Da die Schaufel durch das Kühlmedium selbst bereits gekühlt wird, ist die Wärme isolierende Schicht bewusst angrenzend zu der dem Kühlkanal zugeordneten Oberfläche angeordnet, so dass dadurch innere Wärmespannungen in der Schaufel vermindert werden. Die dem Kühlkanal zugeordnete Oberfläche ist diejenige Oberfläche der Schaufel, unter der der Kühlkanal angeordnet ist, und welche durch das den Kühlkanal durchströmende Kühlmedium gekühlt wird. Selbstverständlich ist diese Oberfläche nicht auf die Abmessungen des Kühlkanals selbst begrenzt, da sich die Kühlwirkung in Abhängigkeit von dem Volumen und der Temperatur des Kühlmediums auch auf einen erheblich größeren Teil der Oberfläche erstrecken kann. Die dem Kühlkanal zugeordnete Oberfläche der Schaufel wird aufgrund der Kühlung bewusst nicht durch die Wärme isolierende Schicht abgedeckt.
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In diesem Fall wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei an unterschiedlichen Seiten der dem Kühlkanal zugeordneten Oberfläche angeordnete Wärme isolierende Schichten vorgesehen sind. Die dem Kühlkanal der Schaufel zugeordnete Oberfläche der Schaufel stellt dadurch eine Ausnehmung zwischen den mit der Wärme isolierenden Schicht abgedeckten Oberflächen der Schaufel dar, wodurch die geringere wärmebedingte Verformung aufgrund der Kühlung der Schaufel in diesem Bereich berücksichtigt ist.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Wärme isolierende Schicht die Kante der Schaufel umfasst, welche an der Austrittsseite des Arbeitsgases aus dem Leitschaufelring angeordnet ist. Die Kante der Schaufel an der Austrittsseite ist besonders dünn, so dass die Verformung in diesem Bereich am größten ist und außerdem Verwirbelungen um die Kante zu einem erhöhten Wärmeeintrag in die Schaufel führen können. In diesem Fall stellt die an der Kante beidseitig angeordnete Wärme isolierende Schicht einen verbesserten Schutz gegen einen erhöhten Wärmeeintrag dar.
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In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
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1: Gasturbine im Querschnitt;
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2: Vergrößerter Ausschnitt des Niederdruckabschnittes des Turbinenabschnittes;
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3a, b: Leitschaufelring mit mehreren Schaufeln nach dem Stand der Technik
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4a, b: Leitschaufelring mit mehreren Schaufeln mit einer Wärme isolierenden Schicht;
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5: Strömungsgeschwindigkeiten am Austritt des Leitschaufelringes;
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6: Schaufel eines Leitschaufelringes mit einem Kühlkanal;
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7: Vergrößerter Ausschnitt des Abschnittes einer Schaufel des Leitschaufelringes an der Austrittsseite.
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In der 1 ist eine Gasturbine 1 in Form eines Mantelstromtriebwerks zu erkennen, wie sie z. B. in Flugzeugen verwendet wird. Alternativ kann eine solche Gasturbine 1 aber auch mit einigen Veränderungen im Aufbau zur Stromerzeugung oder als Antrieb für andere mobile Einrichtungen verwendet werden.
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Die Gasturbine 1 weist einen Eintrittsbereich 2 auf, in dem ein Laufrad 3 zum Ansaugen der Verbrennungsluft in Richtung Z vorgesehen ist. Die angesaugte Verbrennungsluft wird dann in einem Verdichterabschnitt 10 unter Erwärmung verdichtet, und anschließend in einen Verbrennungsabschnitt 11 eingeleitet, in dem sie unter Zufuhr eines Brennstoffes zu einem sehr heißen und unter einem sehr hohen Druck stehenden Arbeitsgas verbrannt wird. Das Arbeitsgas wird dann in einen Turbinenabschnitt 12 eingeleitet, in dem die Energie des Arbeitsgases in Nutzarbeit umgewandelt wird. Der Turbinenabschnitt 12 selbst ist unterteilt in einen Hochdruckabschnitt 12a und einen Niederdruckabschnitt 12b. Der Verdichterabschnitt 10 und der Turbinenabschnitt 12 umfassen Schaufelgruppierungen 6, 7 und 8, welche, wie z. B. bei der Schaufelgruppierung 7 des Hochdruckabschnittes 12a dargestellt ist, aus einer Mehrzahl von wechselweise angeordneten Leitschaufelringen 14 und Laufschaufelringen 15 gebildet sind. Die Leitschaufelringe 14 sind an einem Gehäuse 9 der Gasturbine 1 fest angeordnet und dienen dazu eine gewissen Vordrall des Arbeitsgases vor dem Eintritt in die jeweils nachgeordneten Laufschaufelringe 15 zu erzeugen, bzw. die Strömungsrichtung und die Strömungsgeschwindigkeit im Sinne einer Maximierung des Wirkungsgrades der Gasturbine 1 einzustellen. Die Laufschaufelringe sind jeweils auf einem Rotor 4 und 5 angeordnet, welche durch das durchströmende Arbeitsgas in Drehung versetzt werden. Der Rotor 4 des Niederdruckabschnittes 12b des Turbinenabschnitts 12 ist über eine Rotorwelle 19 mit dem Laufrad 3 in dem Eintrittsbereich 2 verbunden und treibt dieses an. Der Rotor 5 des Hochdruckabschnittes 12a des Turbinenabschnitts 12 ist gleichzeitig Träger wenigstens einiger der Laufschaufelringe des Verdichterabschnitts 10, so dass diese durch die Laufschaufelringe des Hochdruckabschnitts 12b mit angetrieben werden.
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In der 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt der Gasturbine 1 zu erkennen. In Strömungsrichtung V durchströmt das heiße unter Druck stehende Arbeitsgas zuerst einen Leitschaufelring 14 und anschließend einen Laufschaufelring 15. Der Leitschaufelring 14 ist fest an dem Gehäuse 9 angeordnet, während der Laufschaufelring 15 drehfest mit dem Rotor 4 verbunden ist.
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In den 3a und 3b ist der Leitschaufelring 14 in einer Zylinderabwicklung entlang der Schnittrichtung B-B aus der 2 zu erkennen. Ferner sind die Strömungsverhältnisse dargestellt, wie sie sich bei einer Gasturbine 1 nach dem Stand der Technik bei einer Erwärmung ergeben würden.
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Der Leitschaufelring 14 ist aus einer Mehrzahl von Schaufeln 17 und 18 gebildet, welche in Gruppen zu vier oder fünf Schaufeln zu einem Modul zusammengefasst sind. Der gesamte Leitschaufelring 14 wird dann durch zusammensetzen von mehreren derartigen Modulen hergestellt, gleiches gilt für den Laufschaufelring 15. Alternativ können der Leitschaufelring 14 und der Laufschaufelring 15 aber auch als vollständiger Ring oder durch eine entsprechende Bearbeitung des Rotors 4 oder des Gehäuses 9 aus einem Werkstück hergestellt werden.
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Die Schaufeln 17 und 18 werden von dem Arbeitsgas in Anströmrichtung V angeströmt, welches dann in dem zwischen den Schaufeln 17 und 18 gebildeten Strömungskanal 23 umgelenkt wird. Die Schaufeln 17 und 18 sind häufig tropfenförmig profiliert und zur Umlenkung des Arbeitsgases zusätzlich gekrümmt. Der Profilschwerpunkt 20 ist mit einem Kreuz gekennzeichnet und liegt im in Anströmrichtung V vorderen dickeren Bereich der Schaufeln 17 und 18. Bei üblichen ungekrümmten Profilen mit einer sich kontinuierlich verändernden Profildicke liegt der Profilschwerpunkt im Allgemeinen in der Ebene, in der das Profil die größte Dicke aufweist und zwar auf der Symmetrielinie. Aufgrund der Krümmung des Profils wird der Profilschwerpunkt 20 in Richtung des Krümmungsmittelpunktes verschoben, wobei er aber dennoch in etwa in der Ebene der größten Profildicke liegt. Grundsätzlich ist mit der Dicke des Profils bzw. mit der Profildicke immer die Wandstärke der Schaufel 17 oder 18 senkrecht zu der Profilsehne gemeint.
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Aufgrund der Profilierung der Schaufeln 17 und 18 ändert sich die Querschnittsfläche des Strömungskanals 23 senkrecht zu der Strömungsrichtung des Arbeitsgases entlang des Stromfadens, so dass das Arbeitsgas nach dem Eintritt in den Strömungskanal 23 beschleunigt und umgelenkt wird. An der Austrittsseite 24 des Leitschaufelringes 14 ergibt sich dadurch eine Geschwindigkeit C1, welche durch die Querschnittsfläche des Strömungskanals 23 gekennzeichnet durch den Abstand D1 senkrecht zu dem Stromfaden und dem Winkel der Schaufeln 17 und 18 an der Austrittsseite 24 aus dem Leitschaufelring 14 bestimmt ist.
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In der 3b ist der Leitschaufelring 14 in Sicht von der Austrittsseite 24 entlang der Schnittrichtung A-A aus der 3a dargestellt. Bei einer Erwärmung der Schaufeln 17 und 18 wird die Schaufel 17, mit der die Querschnittsfläche begrenzenden dünneren Wandstärke in Richtung zu der konvexen Seite 25 zu einer Form 17b verformt. Die Schaufel 18 weist in Schnittrichtung A-A der Querschnittsfläche eine größere Wandstärke als die Schaufel 17 auf, so dass sie sich nicht oder zumindest weniger als die Schaufel 17 verformt. Bei innen gekühlten Schaufeln ist dieser Bereich in der Regel mehr durchströmt als der stromabwärtsseitige schlanke Bereich der Schaufel. Hierdurch wird ebenfalls eine geringere Dehnung aufgrund besserer Kühlung induziert. Aufgrund dieser ungleichen Verformung erweitert sich die Querschnittsfläche des Strömungskanals 23, was durch den vergrößerten Abstand D2 dargestellt ist. Aufgrund der vergrößerten Querschnittsfläche wird die Strömung des Arbeitsgases an der Austrittsseite 24 auf eine Strömungsgeschwindigkeit C2 reduziert. Diese nachteilig veränderte Strömungsgeschwindigkeit führt dazu, dass die in dem nachfolgenden Laufschaufelring 15 aus dem Arbeitsgas gewonnene Nutzarbeit geringer ist, und der Wirkungsgrad der Gasturbine 1 sinkt.
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In den
4a und
4b sind die Schaufeln
17 und
18 mit einer auf der konvexen Seite in Strömungsrichtung stromabwärts hinter dem Profilschwerpunkt
20 angeordneten Wärme isolierenden Schicht
16 versehen. Die Wärme isolierende Schicht
16 bewirkt im Allgemeinen, dass der Wärmeeintrag in die Schaufeln
17 und
18 in diesem Bereich geringer ist, und dadurch der Verformungsunterschied zwischen den die Querschnittsfläche des Strömungskanals
23 begrenzenden Wänden der Schaufeln
17 und
18 geringer ist. Aufgrund des geringeren Verformungsunterschiedes ist auch die Abweichung der Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsrichtung von den der Auslegung der Profile der Schaufeln
17 und
18 zugrunde liegenden Parametern geringer, so dass der Wirkungsgrad besser ist als bei den Schaufeln ohne Beschichtung, wie sie im Stand der Technik verwendet werden und in den
3a und
3b gezeigt sind. Ein möglicher Werkstoff der Beschichtung wäre z. B. der in der
EP 816 526 B1 beschriebene Werkstoff.
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Im Gegenteil kann durch die Anordnung der Wärme isolierenden Schicht 16 auf der konvexen Seite sogar eine unerwartete Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden, indem die verbleibende wärmeinduzierte Verformung aufgrund der Wärme isolierenden Schicht 16 nunmehr in die andere Richtung gerichtet ist und die Schaufel 17 im Bereich der Querschnittsfläche eine Form 17a einnimmt. Aufgrund der Form 17a ist der Abstand D2 der Schaufeln 17 und 18 und damit die Querschnittsfläche des Strömungskanals 23 insgesamt geringer, so dass die sich ergebende Strömungsgeschwindigkeit C3 aufgrund des durch die Wärme isolierenden Schicht 16 bewirkten Verformungsverhaltens größer ist.
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In der 5 sind die Strömungsgeschwindigkeiten gemäß der Auslegung der Gasturbine 1 mit C1, bei einer Erwärmung ohne die Wärme isolierende Schicht 16 mit C2 und einer Erwärmung mit der Wärme isolierenden Schicht 16 mit C3 gekennzeichnet zu erkennen. Die Strömungsgeschwindigkeit C1 gemäß der Auslegung kann vektoriell in eine Umfangskomponente U1 und eine Komponente W1 in Axialrichtung der Gasturbine 1 zerlegt werden. Die Umfangskomponente U1 stellt die Kenngröße des Vordralls dar, während die Komponente W1 die Strömungsgeschwindigkeit in Axialrichtung der Turbine darstellt. Grundsätzlich sollten die Komponenten W1 und U1 möglichst den der Auslegung der Gasturbine 1 zugrunde liegenden Größen entsprechen, geringfügige Veränderungen können aber durchaus zu Wirkungsgrad- und Leistungssteigerung der Turbine führen. Ohne die Wärme isolierende Schicht 16 ergibt sich bei einer Erwärmung der Schaufeln 17 und 18 eine geringere Strömungsgeschwindigkeit C2 mit einer kleineren Komponente W2 in Axialrichtung und einer kleineren Komponente U2 in Umfangsrichtung. Die geringere Strömungsgeschwindigkeit C2 ist durch die Vergrößerung der Querschnittsfläche wie in 3a beschrieben und einer verminderten Umlenkung durch die Veränderung der Form der Schaufel 17 an der Abströmkante zu begründen. Die Gasturbine 1 arbeitet dadurch mit einer verminderten Leistung bei einem geringeren Wirkungsgrad. Durch die Wärme isolierende Schicht 16 kann die Verformung dagegen wie oben beschrieben genutzt werden, indem die Querschnittsfläche des Strömungskanals 23 bewusst verkleinert wird, und das Arbeitsgas mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit C3 aus dem Leitschaufelring 14 austritt. Die Strömungsgeschwindigkeit C3 weist eine größere Komponente W3 in Axialrichtung und eine größere Komponente U3 in Umfangsrichtung auf, so dass sowohl Strömungsgeschwindigkeit in Axialrichtung der Turbine, als auch der Vordrall des Arbeitsgases vor dem Eintritt in den nachfolgenden Laufschaufelring 15 größer ist. Aufgrund des größeren Vordralls ist die aus dem Arbeitsgas in dem nachfolgenden Laufschaufelring 15 gewonnene Nutzarbeit größer, so dass die Leistung und der Wirkungsgrad der Gasturbine 1 temporär gesteigert werden können.
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In der 7 ist zur Verdeutlichung der sich verändernden Umlenkung eine Schaufel 17 vergrößert zu erkennen. Die unverformte Schaufel 17 weist einen Winkel T1 zu der Umfangsrichtung auf, der die Abströmrichtung des Arbeitsgases aus dem Leitschaufelring 14 bestimmt. Bei einer Schaufel 17 nach dem Stand der Technik würde die Schaufel 17 bei einer Erwärmung eine Form 17b einnehmen, wobei sich der Winkel der Abströmkante auf einen Winkel T2 verkleinert und die Komponente U2 in Umfangsrichtung, wie in 5 dargestellt, ebenfalls verringert wird. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Wärme isolierenden Beschichtung 16 verformt sich die Schaufel 17 bei einer Erwärmung zu einer Form 17a und der Winkel T3 der Abströmkante bzw. die damit verbundene Umlenkung gekennzeichnet durch die Komponente U3 wird größer.
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In der 6 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zu erkennen, bei der in der Schaufel 17 ein Kühlkanal 21 vorgesehen ist, der von einem Kühlmedium 30 durchströmt wird. Das Kühlmedium 30 tritt an der Seite 30a ein und an der Seite 30b wieder aus. Auf der Oberfläche der Schaufel 17 angrenzend zu der dem Kühlkanal 21 zugeordneten Oberfläche der Schaufel 17 sind beidseitig zwei Wärme isolierende Schichte 16 und 22 vorgesehen. Insgesamt erfährt die Schaufel 17 durch die Durchströmung durch das Kühlmedium 30 eine erhöhte Wärmeabfuhr besonders im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmediums 30, wie z. B. dem direkten Weg von der Seite 30a zu der Seite 30b und durch die Wärme isolierenden Schichten 16 und 22 einen verminderten Wärmeeintrag, so dass die Wärmeverteilung durch die unterbrochene Wärme isolierende Schicht über die gesamte Schaufel 17 wesentlich gleichmäßiger ist. Der Kühlkanal 21 ist bevorzugt in einem Bereich der Schaufel 17 mit einer größeren Profildicke angeordnet. Da die Bereiche der Schaufel 17 mit der geringeren Profildicke sich bei der Startphase der Gasturbine 1 schneller erwärmen, sind an diesen Bereichen bevorzugt die Wärme isolierenden Schichten 16 und 22 angeordnet, damit die Wärme erst gar nicht vermindert eindringen kann. Der Bereich mit der größeren Profildicke heizt sich während der Startphase weniger schnell auf, nimmt dafür aber im laufenden Betrieb der Gasturbine 1 viel mehr Wärme auf, so dass dieser während des laufenden Betriebes der Gasturbine 1 durch das Kühlmedium 30 gekühlt werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 816526 B1 [0006, 0035]
