DE102013210876A1 - Composite component for thermal clearance control in a turbomachine and this turbomachine containing - Google Patents

Composite component for thermal clearance control in a turbomachine and this turbomachine containing Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundbauteil (4) zur thermischen Spaltsteuerung in Strömungsmaschinen sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Verbundbauteil, das eine an die Einsatzbedingungen optimal angepasste Spaltsteuerung ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verbundbauteil weist ein erstes und ein zweites Material (5, 6) mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wobei das zweite Material (6) in das erste Material (5) eingebettet und/oder als Schicht mit variierender Dicke auf dem ersten Material (5) angeordnet ist und/oder eine integrierte Heizung enthält.The present invention relates to a composite component (4) for thermal gap control in turbomachines and a turbomachine with a composite component of this type which enables gap control that is optimally adapted to the operating conditions. The composite component according to the invention has a first and a second material (5, 6) with different coefficients of thermal expansion, the second material (6) being embedded in the first material (5) and / or as a layer of varying thickness on the first material (5) is arranged and / or contains an integrated heater.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION

GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundbauteil zur thermischen Spaltsteuerung in Strömungsmaschinen sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Verbundbauteil. Das erfindungsgemäße Verbundbauteil ermöglicht eine an die Einsatzbedingungen optimal angepasste Spaltsteuerung einhergehend mit einer erhöhten Zuverlässigkeit und einer Gewichts- und Volumenreduzierung der das Verbundbauteil enthaltenden Strömungsmaschine. The present invention relates to a composite component for thermal gap control in turbomachines and a turbomachine with such a composite component. The composite component according to the invention enables a gap control optimally adapted to the operating conditions, accompanied by an increased reliability and a weight and volume reduction of the turbomachine containing the composite component.

STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART

Für ein optimiertes Betriebsverhalten von Strömungsmaschinen, insbesondere hinsichtlich Wirkungsgrad und Lebensdauer, sind häufig lastabhängige Anpassungen von Spalten, z. B. zur Minimierung von Leckagen, oder von Bauteilquerschnitten bzw. Blendendurchmessern, z. B. zur Dosierung von Medien wie Luft oder Flüssigkeiten, erforderlich. Für eine entsprechende Anpassung der Spalte oder Bauteildimensionen sind üblicherweise aufwändige Mechanismen und Regelungs- oder Steuerungseinrichtungen mit einer Vielzahl von Bauteilen und Mechaniken notwendig. Die Komplexität dieser Systeme bedingt jedoch nicht nur einen hohen Auslegungs-, Herstellungs- und Wartungsaufwand, der mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist, sonder resultiert auch in einem Zusatzgewicht und reduziert die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems der Strömungsmaschine. For an optimized operating behavior of turbomachinery, in particular in terms of efficiency and service life, load-dependent adjustments of columns, z. B. to minimize leaks, or component cross-sections or aperture diameters, z. As for the dosage of media such as air or liquids required. For a corresponding adjustment of the column or component dimensions usually complex mechanisms and control or regulating devices with a variety of components and mechanisms are necessary. However, the complexity of these systems requires not only a high interpretation, manufacturing and maintenance costs, which is associated with correspondingly high costs, but also results in an additional weight and reduces the reliability of the entire system of the turbomachine.

Besteht zwischen Betriebslast und Temperaturentwicklung bzw. -niveau der einzustellenden Bauteile ein Zusammenhang, kann durch Bimetalle über wenig komplexe Einrichtungen ohne aktive Steuerung oder ohne externe Regelung eine Spaltsteuerung eingerichtet werden, wobei die Zuverlässigkeit des Systems durch die Einfachheit der Bimetalle erhöht wird. Beispiele hierfür sind in der DE 10 2010 045 976 A1 , US 2005/0058539 A1 , US 2005/0069406 A1 , US 6,126,390 A , WO 2010/112421 A1 , US 4,023,919 A und US 4,487,016 A beschrieben. Herkömmliche Bimetalle haben jedoch den Nachteil, dass ihr Verformungsverhalten beschränkt ist und somit ihre Verwendung auf wenige Einsatzgebiete reduziert ist. If there is a connection between the operating load and the temperature development or level of the components to be adjusted, a bimetal can be set up via little complex devices without active control or without external control, whereby the reliability of the system is increased by the simplicity of the bimetals. Examples are in the DE 10 2010 045 976 A1 . US 2005/0058539 A1 . US 2005/0069406 A1 . US 6,126,390 A . WO 2010/112421 A1 . US 4,023,919 A and US 4,487,016 A described. However, conventional bimetals have the disadvantage that their deformation behavior is limited and thus their use is reduced to a few applications.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION

AUFGABE DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermische Spaltsteuerung insbesondere für Strömungsmaschinen zur Verfügung zu stellen, bei welchen der einzustellende Spalt an die jeweiligen Betriebsanforderungen bei unterschiedlichen Temperaturen optimal angepasst ist und somit in vielen Anwendungsbereichen einsetzbar ist. Zudem soll eine Strömungsmaschine mit optimierter Spaltanpassung bereitgestellt werden, die einfach und kostengünstig hergestellt und gewartet werden kann und deren Gewicht reduziert ist. It is therefore the object of the present invention to provide a thermal clearance control, in particular for turbomachines, in which the gap to be set is optimally adapted to the respective operating requirements at different temperatures and thus can be used in many fields of application. In addition, a turbomachine with optimized gap adjustment is to be provided, which can be manufactured and maintained simply and inexpensively and whose weight is reduced.

TECHNISCHE LÖSUNG TECHNICAL SOLUTION

Die oben genannten Aufgaben werden durch Verbundbauteile zur thermischen Spaltsteuerung in Strömungsmaschinen gemäß den Ansprüchen 1 und 9 sowie eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 13 und ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. The above objects are achieved by composite components for thermal clearance control in turbomachines according to claims 1 and 9 and a turbomachine according to claim 13 and a method for operating a turbomachine according to claim 15. Advantageous developments of the invention are the subject of the respective dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verbundbauteil zur thermischen Spaltsteuerung in einer Strömungsmaschine weist zumindest ein erstes Material, insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein zweites Material, insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der sich vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheidet. Das erste Material bildet ein erstes Volumen, während das zweite Material mindestens ein zweites Volumen ausbildet, wobei die Volumina den Körper des Verbundbauteils bilden. Die Volumina bilden beliebige dreidimensionale Formen, um eine angepasste Formänderung des Körpers des Verbundbauteils bei Temperaturänderung zu erzielen, um so mit einem entsprechenden Verbundbauteil eine temperaturgesteuerte Manipulation insbesondere eines Spalts zu bewirken. Die Form der Volumina unterscheidet sich hierbei von einer schichtweisen Anordnung der der Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten, um mit einer komplexeren Verteilung der ersten und zweiten Materialien im Körper des Verbundmaterials eine exaktere Verwirklichung komplexerer Formänderungen zu ermöglichen. Unter schichtweiser Anordnung von Schichten werden gleichen Schichten oder Schichten mit konstanten Schichtdicken des ersten und zweiten Materials verstanden. The composite component according to the invention for thermal gap control in a turbomachine has at least one first material, in particular a metal or a metal alloy having a first coefficient of thermal expansion and a second material, in particular a metal or a metal alloy having a second coefficient of thermal expansion, which differs from the first coefficient of thermal expansion. The first material forms a first volume while the second material forms at least a second volume, the volumes forming the body of the composite component. The volumes form any three-dimensional shapes, in order to achieve an adapted change in shape of the body of the composite component with temperature change, so as to effect a temperature-controlled manipulation of a gap in particular with a corresponding composite component. The shape of the volumes differs from a layered arrangement of the materials with different coefficients of thermal expansion in order to allow a more complex distribution of the first and second materials in the body of the composite material, a more accurate realization of more complex shape changes. Layer-wise arrangement of layers means the same layers or layers with constant layer thicknesses of the first and second material.

Das mindestens eine zweite Volumen aus dem zweiten Metall kann zumindest bereichsweise in das erste Volumen aus dem ersten Metall eingebettet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das mindestens eine zweite Volumen auf mindestens einem Oberflächenabschnitt des ersten Volumens angeordnet sein, wobei eine Dicke des mindestens zweiten Volumens auf dem Oberflächenabschnitt des ersten Volumens entlang dieses Oberflächenabschnitts zumindest bereichsweise variieren kann. Mit anderen Worten unterscheidet sich die Form des mindestens einen zweiten Volumens aus dem zweiten Material auf dem Oberflächenabschnitt des ersten Volumens aus dem ersten Material von einer Materiallage bzw. Materialschicht mit gleichmäßiger Dicke. The at least one second volume of the second metal may be embedded at least partially in the first volume of the first metal. Alternatively or additionally, the at least one second volume may be arranged on at least one surface section of the first volume, wherein a thickness of the at least second volume on the surface section of the first volume may vary at least in regions along this surface section. With others In other words, the shape of the at least one second volume of the second material on the surface portion of the first volume of the first material differs from a material layer of uniform thickness.

Bei dem erfindungsgemäßen Verbundbauteil kann es sich somit um ein komplexes Bimetall handeln, das temperaturbedingt an den Einsatzort und die Einsatzbedingungen angepasste Verformungen, insbesondere komplexe Verformungen, durchführen kann. Das erfindungsgemäße Verbundbauteil kann somit optimal an die Einsatzbedingungen in einer Strömungsmaschine angepasst werden. The composite component according to the invention may thus be a complex bimetal which can perform deformations adapted to the site of use and the conditions of use, in particular complex deformations, as a result of temperature. The composite component according to the invention can thus be optimally adapted to the conditions of use in a turbomachine.

Vorteilhafterweise können die Form und/oder die Position der Volumina mit den unterschiedlichen Materialien und/oder die Materialien der Volumina derart gewählt, dass durch eine gezielte Temperierung, insbesondere durch ein gezieltes lokales Heizen, ein an die gegebenen Betriebsanforderungen der Strömungsmaschine optimal angepasstes Verformungsverhalten des Verbundbauteils erreichbar ist. Durch eine entsprechende Verformungsmöglichkeit wird eine optimale Spaltanpassung ermöglicht, wobei gleichzeitig der Herstellungs- und Wartungsaufwand und auch das Gewicht einer Strömungsmaschine wesentlich reduziert werden können. Advantageously, the shape and / or the position of the volumes with the different materials and / or the materials of the volumes selected such that by a targeted temperature, in particular by a targeted local heating, an optimally adapted to the given operating requirements of the turbomachine deformation behavior of the composite component is reachable. By an appropriate deformation possibility optimal gap adjustment is possible, while the manufacturing and maintenance costs and also the weight of a turbomachine can be significantly reduced.

Das mindestens erste und/oder zweite Volumen kann flächig, inselartig oder als zusammenhängende Zweigstruktur ausgebildet sein, wobei die Materialverteilung ein geometrisches und/oder komplexes Muster aufweisen kann. Beispielsweise können mehrere inselförmige Bereiche mit dem zweiten Material in einem regelmäßigen, vorzugsweise stetigen, oder einem unregelmäßigen, vorzugsweise nicht linearen, Muster in oder auf dem zweiten Material geformt sein. Die zusammenhängende Zweigstruktur kann eine Vielzahl an Bereichen des zweiten Materials, die über Stege miteinander verbunden sind, aufweisen, wobei die Anordnung der Bereiche des zweiten Materials in einem regelmäßigen Muster oder einem unregelmäßigen Muster vorliegen kann. The at least first and / or second volume may be formed flat, island-like or as a contiguous branch structure, wherein the material distribution may have a geometric and / or complex pattern. For example, a plurality of island-shaped regions may be formed with the second material in a regular, preferably continuous, or an irregular, preferably non-linear, pattern in or on the second material. The contiguous branch structure may comprise a plurality of regions of the second material connected by webs, wherein the arrangement of the regions of the second material may be in a regular pattern or an irregular pattern.

Die Volumina des ersten und/oder zweiten Materials können eine komplexe Form aufweisen, wie beispielsweise eine Pilz-, Blasen- oder Ballonform oder eine Zylinderform mit insbesondere kreisförmigen, blasenförmigen, mehreckigen, pilz- oder blasenförmigem Querschnitt. Ist das Volumen eine eingebettetes Material, so kann diese vollständig vom anderen Material umgeben sein. Alternativ kann ein eingebettetes Volumen auch in einer Ausnehmung an der Oberfläche des anderen Volumens eingelassen sein und von diesem nur teilweise umgeben seien. The volumes of the first and / or second material may have a complex shape, such as a mushroom, bladder or balloon shape, or a cylindrical shape, in particular circular, bladder-shaped, polygonal, mushroom or bladder-shaped. If the volume is an embedded material, it may be completely surrounded by the other material. Alternatively, an embedded volume can also be embedded in a recess on the surface of the other volume and be surrounded by it only partially.

Unabhängig von der genauen Form und Anordnung der Materialen kann das erfindungsgemäße Verbundbauteil mindestens eine Achse quer zu einer Hauptausdehnungsrichtung, also einer Richtung einer maximalen Dimension oder einer Kante des Körpers des Verbundbauteils aufweisen, entlang der das Volumen eines Materials gleich der Ausdehnung des Verbundbauteils ist. Ist das Volumen somit beispielsweise flächig ausgebildet, so kann die Dicke des Volumens zumindest an einer Position der Dicke des Verbundbauteils entsprechen. Ist das eine Volumen alternativ ein im anderen Volumen eingebettetes Volumen, so kann das eine Volumen das andere Volumen durchdringen. Vorteilhafterweise weist ein solches Volumen einen quer zur Durchstoßachse konstanten Querschnitt auf. Regardless of the exact shape and arrangement of the materials, the composite component according to the invention may have at least one axis transverse to a main extension direction, ie, a direction of maximum dimension or edge of the body of the composite component, along which the volume of a material is equal to the dimension of the composite component. If the volume is thus flat, for example, the thickness of the volume can correspond at least at one position to the thickness of the composite component. Alternatively, if one volume is a volume embedded in the other volume, one volume may penetrate the other volume. Advantageously, such a volume has a cross section which is constant transversely to the piercing axis.

Das erste und zweite Volumen können keilförmig sein. The first and second volumes may be wedge-shaped.

Das Verbundbauteil kann unterschiedliche Volumenmengen an dem ersten und an dem zweiten Material aufweisen. The composite component may have different volumes of the first and second materials.

Zu einer weiteren Optimierung der Anpassung des Verbundbauteils an die Betriebsbedingungen kann das Verbundbauteil mindestens ein weiteres Material, insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung, aufweisen, das einen weiteren Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der sich von dem ersten und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheidet. Das weitere Material ist vorzugsweise als mindestens ein zusätzliches Volumen vorgesehen, wobei das weitere Volumen im Wesentlichen die Merkmalen der anderen Volumina aufweisen kann. For a further optimization of the adaptation of the composite component to the operating conditions, the composite component may comprise at least one further material, in particular a metal or a metal alloy, which has a further expansion coefficient which differs from the first and the second thermal expansion coefficient. The further material is preferably provided as at least one additional volume, wherein the further volume may substantially have the characteristics of the other volumes.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, für den selbstständig oder in Kombination mit anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung Schutz begehrt wird, kann das Verbundbauteil weiterhin eine Heizeinrichtung aufweisen, die in und/oder auf dem Körper des Verbundbauteils angeordnet sein kann. Die Heizeinrichtung dient der lokalen und vor allem gezielten Temperierung des Verbundbauteils, um das Verbundbauteil in geeigneter Weise zu verformen und somit an die Betriebsbedingungen anzupassen. According to a further aspect of the present invention, for which protection is sought on its own or in combination with other aspects of the present invention, the composite component may further comprise a heating device, which may be arranged in and / or on the body of the composite component. The heater is used for local and above all targeted temperature control of the composite component in order to deform the composite component in a suitable manner and thus adapt to the operating conditions.

Die Heizeinrichtung kann beispielsweise eine induktive Heizung sein. Das Verbundbauteil kann entsprechend ein Induktionselement umfassen, wobei das Induktionselement als Induktur die für eine induktive Heizung erforderlichen Wirbelströme induzieren kann und insbesondere als Spule ausgebildet sein kann, die vorteilhafterweise elektrisch gegenüber dem ersten und/oder dem zweiten Volumen isoliert ist. The heater may be, for example, an inductive heater. The composite component may accordingly comprise an induction element, wherein the induction element may induce the required for an inductive heating eddy currents as an inductor and in particular may be formed as a coil, which is advantageously electrically isolated from the first and / or the second volume.

Das Verbundbauteil kann mittels generativer Fertigungsverfahren, insbesondere mittels Elektronenstrahlschmelzen (EWM), Laser Engineered Net Shaping (LENS), Laserauftragsschweißen, selektiven Laserschmelzen (SLM) oder selektivem Lasersintern (SLS) gefertigt werden, wobei komplexe geometrische Formen und/oder ein integriertes Heizelement leicht hergestellt werden können. The composite component can be produced by means of generative production methods, in particular by electron beam melting (EWM), laser engineered net shaping (LENS), laser deposition welding, Selective laser melting (SLM) or selective laser sintering (SLS) can be made, with complex geometric shapes and / or an integrated heating element can be easily produced.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine, insbesondere eine stationäre Gasturbine oder ein Flugzeugtriebwerk. Die Strömungsmaschine weist unter anderem ein Gehäuse mit einer Vielzahl an Gehäusebauteilen, einen Strömungskanal und mindestens einen Rotor mit einer Vielzahl an Rotorschaufeln auf, der im Strömungskanal angeordnet ist. Zwischen einzelnen Gehäusebauteilen und/oder zwischen einem oder mehreren Gehäusebauteilen und dem Rotor sind Spalten ausgebildet, deren Spaltbreite mittels mindestens eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils, wie es in den vorangegangenen Abschnitten der Beschreibung beschrieben wurde, gezielt durch Temperaturänderung des Verbundbauteils einstellbar ist. The present invention further relates to a turbomachine, in particular a stationary gas turbine or an aircraft engine. The turbomachine includes, inter alia, a housing having a plurality of housing components, a flow channel, and at least one rotor having a plurality of rotor blades arranged in the flow channel. Between individual housing components and / or between one or more housing components and the rotor gaps are formed, the gap width by means of at least one composite component according to the invention, as described in the previous sections of the description, is specifically adjustable by changing the temperature of the composite component.

Das Verbundbauteil kann als Blende oder als Verdichterschaufel- oder Turbinenschaufelüberhang, insbesondere mit Restriktorwirkung, ausgebildet sein. Alternativ kann das Verbundbauteil als Halterung für eine Blende, insbesondere für ein Ringwandsegment, eingesetzt werden. Wie in den vorangegangenen Abschnitten im Detail dargestellt, schaffen die erfindungsgemäßen Verbundbauteile die Möglichkeit durch gezielte, lokale Konzentration von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten in einem Verband temperaturabhängig nicht-lineare, komplexe Geometrieänderungen einzustellen. Die Nutzung von lokaler, induktiver Aufheizung am Verbundbauteil schafft bei Bedarf zusätzliches oder alternatives Potential zu Geometrieanpassungen. The composite component can be designed as a diaphragm or as a compressor blade or turbine blade overhang, in particular with a restrictor effect. Alternatively, the composite component can be used as a holder for a diaphragm, in particular for an annular wall segment. As shown in detail in the preceding sections, the composite components according to the invention make it possible to set temperature-dependent, non-linear, complex geometry changes by targeted local concentration of materials with different coefficients of expansion. The use of local, inductive heating on the composite component creates additional or alternative potential for geometry adjustments if required.

Entsprechend wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, für welchen separat und in Kombination mit anderen Aspekten der Erfindung Schutz begehrt wird, ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine vorgeschlagen, bei welchem ein Bimetallbauteil oder ein Verbundbauteil gezielt temperiert, also gekühlt und/oder beheizt wird, um durch gezielte Temperaturveränderung einen Spalt an einer Strömungsmaschine zu verändern. Zusammengefasst sind nachfolgend die Vorteile der vorliegenden Erfindung aufgezählt:

  • • Betriebslastabhängig können temperaturgesteuert Spalte und/oder Dimensionen von Bauteilen gezielt über komplexe Strukturen von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ohne aufwändige Steuerungs- und Regelungseinheiten für ein optimales Betriebsverhalten von Maschinen automatisch angepasst werden.
  • • Generative Verfahren erlauben das Herstellen von entsprechenden Strukturen mit gezielt einstellbaren, komplexen Verformungsgeometrien bzw. zeitlichem Verhalten bei Temperaturvariation.
  • • Bei Bedarf kann zusätzlich oder alternativ über lokale, induktive Temperierung der Struktur eine Einstellung der Geometrieveränderung erreicht werden.
Accordingly, according to a further aspect of the present invention, for which protection is sought separately and in combination with other aspects of the invention, a method for operating a turbomachine is proposed, in which a bimetallic component or a composite component specifically tempered, that is cooled and / or heated to change by targeted temperature change a gap on a turbomachine. In summary, the advantages of the present invention are enumerated below:
  • • Depending on the operating load, temperature-controlled column and / or dimensions of components can be adjusted automatically via complex structures of materials with different coefficients of thermal expansion without elaborate control and regulation units for optimum machine performance.
  • • Generative methods allow the production of appropriate structures with specifically adjustable, complex deformation geometries or temporal behavior with temperature variation.
  • • If necessary, an adjustment of the geometry change can additionally or alternatively be achieved via local, inductive temperature control of the structure.

Durch die erfindungsgemäßen Verbundbauteile können somit die Herstellung, Montage und Wartung von Strömungsmaschinen vereinfacht werden, die Kosten verringert werden und die Zuverlässigkeit der Strömungsmaschine erhöht werden. The composite components according to the invention can thus simplify the manufacture, assembly and maintenance of turbomachines, reduce the costs and increase the reliability of the turbomachine.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail erläutert. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings show this in a purely schematic way in

1A und 1B ein herkömmliches Bimetall; 1A and 1B a conventional bimetal;

2A und 2B ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; 2A and 2 B a composite component according to the invention according to a first embodiment;

3A und 3B ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und in 3A and 3B a composite component according to the invention according to a second embodiment; and in

4A und 4B ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil gemäß einer dritten Ausführungsform mit lokaler induktiver Heizung. 4A and 4B a composite component according to the invention according to a third embodiment with local inductive heating.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE EMBODIMENTS

Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen ersichtlich. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Further advantages, characteristics and features of the present invention will become apparent in the following detailed description of exemplary embodiments. However, the invention is not limited to these embodiments.

Die 1A und 1B zeigen jeweils einen Ausschnitt eines herkömmlichen Bimetallstreifens in Seitenansicht (1A) sowie in perspektivischer Ansicht (1B). Der Bimetallstreifen 1 weist eine erste Metalllage 2 aus einem ersten Metall mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten αhigh und eine zweite Metalllage 3 auf, die auf der ersten Metalllage 2 angeordnet ist und mit dieser verbunden ist. Die zweite Metalllage besitze einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten αlow, der niedriger ist als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient αhigh. Der Bimetallstreifen 1 ist in den 1A und 1B in einem nicht verformten Zustand bei einer Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur einer Strömungsmaschine dargestellt. 1A zeigt in gestrichelten Linien zusätzlich den verformten Zustand des Bimetalls 1 bei der Betriebstemperatur einer Strömungsmaschine, wobei sich die Verformung in einer mäßigen Krümmung in Richtung der zweiten Metalllage 3 äußert. The 1A and 1B each show a section of a conventional bimetallic strip in side view ( 1A ) as well as in perspective view ( 1B ). The bimetallic strip 1 has a first metal layer 2 of a first metal having a first thermal expansion coefficient α high and a second metal layer 3 on that on the first metal layer 2 is arranged and connected to this. The second metal layer has a second thermal expansion coefficient α low which is lower than the first thermal expansion coefficient α high . The bimetallic strip 1 is in the 1A and 1B shown in a non-deformed state at a temperature below the operating temperature of a turbomachine. 1A shows in dashed lines in addition the deformed state of the bimetal 1 at the operating temperature of a Turbomachine, wherein the deformation in a moderate curvature in the direction of the second metal layer 3 manifests.

Die 2A und 2B zeigen einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 2A eine Seitenansicht und 2B eine perspektivische Ansicht des Verbundbauteils 4 zeigen. Das Verbundbauteil 4 weist einen ersten Keil 5 aus einem ersten Metall mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten αhigh auf. Auf der Oberseite 50 des ersten Keils 5 ist ein zweiter Keil 6 angeordnet und mit dem ersten Keil 5 verbunden. Der zweite Keil 6 enthält ein zweites Metall, das einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten αlow aufweist, der geringer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient αhigh des ersten Metalls. In einem unverformten Zustand unterhalb der Betriebstemperatur einer Strömungsmaschine weist das Verbundbauteil 4 eine quaderförmige Form auf. Bei höheren Temperaturen im Bereich der maximalen Betriebstemperatur einer Strömungsmaschine ist das Verbundbauteil 4, wie in 2A in gestrichelten Linien angedeutet, deutlich verformt, wobei der verformte erste Keil 5’ stärker verformt ist als der verformte zweite Keil 6’, so dass es zu einer wesentlichen Krümmung des Verbundbauteils 4 in Richtung des zweiten Keils 6’ kommt. The 2A and 2 B show a section of a composite component according to the invention 4 according to a first embodiment of the invention, wherein 2A a side view and 2 B a perspective view of the composite component 4 demonstrate. The composite component 4 has a first wedge 5 of a first metal having a first thermal expansion coefficient α high . On the top 50 of the first wedge 5 is a second wedge 6 arranged and with the first wedge 5 connected. The second wedge 6 contains a second metal, which has a second coefficient of thermal expansion α low , which is less than the thermal expansion coefficient α high of the first metal. In an undeformed state below the operating temperature of a turbomachine, the composite component 4 a cuboid shape. At higher temperatures in the range of the maximum operating temperature of a turbomachine is the composite component 4 , as in 2A indicated in dashed lines, clearly deformed, wherein the deformed first wedge 5 ' is more deformed than the deformed second wedge 6 ' , causing a substantial curvature of the composite component 4 in the direction of the second wedge 6 ' comes.

Im Vergleich zu einem herkömmlichen Bimetall, wie es in 1a gezeigt ist, ist die Verformung des Verbundbauteils 4 unterschiedlich und somit kann mit dem Verbundbauteil 4 eine andere Charakteristik einer temperaturabhängigen Verstellung erzielt werden. Compared to a conventional bimetal, as in 1a is shown, the deformation of the composite component 4 different and thus can with the composite component 4 another characteristic of a temperature-dependent adjustment can be achieved.

Die 3A und 3B zeigen ein weiteres Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil 14, wobei 3A eine Draufsicht auf das Verbundbauteil 14 und 3B eine perspektivische Ansicht desselben zeigt. Das Verbundbauteil 14 weist einen quaderförmigen Grundkörper 15 aus einem ersten Metall auf, in dem zwei zylinderförmige Bereiche 16 eines zweiten Metalls mit einem Wärmekoeffizienten αlow, der niedriger als der Wärmekoeffizient αhigh des ersten Metalls des Grundkörpers 15 ist, angeordnet sind. Die zylinderförmigen Bereiche 16 durchdringen den Grundkörper 15 von einer Oberseite 51 zu einer Unterseite des Verbundbauteils 14 und schließen an einer Seitenfläche 52 des Verbundbauteils 14 bündig mit dem Grundkörper 5 ab. Die Querschnittsform des Bereichs 6 quer zur Oberseite 51 des Grundkörpers 5 ist ballonförmig, pilzförmig oder blasenförmig ausgebildet. Das Verbundbauteil 14 weist eine komplexe Struktur auf, die am besten mittels eines generativen Herstellungsverfahrens erreicht werden kann. Dabei wird vorteilhafterweise lagenweise pulverisiertes erstes und zweites Metall an den entsprechenden Stellen aufgeschmolzen, sodass schrittweise das Verbundbauteil 4 entsteht. The 3A and 3B show a further example of a composite component according to the invention 14 , in which 3A a plan view of the composite component 14 and 3B a perspective view of the same shows. The composite component 14 has a cuboid base body 15 made of a first metal, in which two cylindrical areas 16 a second metal having a thermal coefficient α low , which is lower than the thermal coefficient α high of the first metal of the base body 15 is, are arranged. The cylindrical areas 16 penetrate the body 15 from a top 51 to an underside of the composite component 14 and close on a side surface 52 of the composite component 14 flush with the main body 5 from. The cross-sectional shape of the area 6 across to the top 51 of the basic body 5 is balloon-shaped, mushroom-shaped or bubble-shaped. The composite component 14 has a complex structure that can best be achieved by a generative manufacturing process. In this case, layerwise pulverized first and second metal is melted at the corresponding points, so that gradually the composite component 4 arises.

Die 4A und 4B zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verbundbauteils 24 in einer Seitenansicht (4A) und einer perspektivischen Ansicht (4B). Die Grundstruktur des erfindungsgemäßen Verbundbauteils 24 entspricht einem konventionellen Bimetall, wie es beispielsweise in den 1A und 1B dargestellt ist. Das Verbundbauteil 24 weist eine erste Metalllage 22 und eine zweite Metalllage 23 auf, die miteinander verbunden sind. Der Wärmeausdehnungskoeffizient αhigh der ersten Metalllage 22 ist dabei größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient αlow der zweiten Metalllage 23. Zusätzlich weist das Verbundbauteil 7 ein Induktionselement 28 einer induktive Heizung auf, die in die zweite Metalllage 23 eingebettet ist. Vorteilhafterweise ist das Induktionselement 28 elektrisch isoliert gegenüber der zweiten Metalllage 23. The 4A and 4B show a third embodiment of a composite component 24 in a side view ( 4A ) and a perspective view ( 4B ). The basic structure of the composite component according to the invention 24 corresponds to a conventional bimetal, as for example in the 1A and 1B is shown. The composite component 24 has a first metal layer 22 and a second metal layer 23 on, which are interconnected. The thermal expansion coefficient α high of the first metal layer 22 is greater than the thermal expansion coefficient α low of the second metal layer 23 , In addition, the composite component 7 an induction element 28 an inductive heating on, in the second metal layer 23 is embedded. Advantageously, the induction element 28 electrically isolated from the second metal layer 23 ,

Auch das Verbundbauteil 24 lässt sich mittels generativen Herstellungsverfahren effektiv produzieren, wobei auch die Isolierung (nicht gezeigt) sowie das Heizelement 28 mittels solcher Verfahren bereitgestellt werden können. Also the composite component 24 can be effectively produced by generative manufacturing processes, including the insulation (not shown) and the heating element 28 can be provided by such methods.

Obwohl die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abweichungen und Änderungen in der Weise möglich sind, dass andersartige Kombinationen von Einzelmerkmalen oder das Weglassen von Merkmalen möglich sind, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein. Although the invention has been described in detail with reference to the embodiments, it will be understood by those skilled in the art that the invention is not limited to these embodiments, but rather variations and changes are possible in the manner that other combinations of features or the omission of features possible without departing from the scope of the appended claims. The present disclosure includes all combinations of the features presented.

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Claims (15)

Verbundbauteil zur thermischen Spaltsteuerung in einer Strömungsmaschine mit zumindest einem ersten Material (5, 15), das einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und einem zweiten Material (6, 16), das einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei sich der erste Wärmeausdehnungskoeffizient vom zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil einen Körper mit einer geometrischen Form bildet, die wenigstens aus einem ersten Volumen und wenigstens einem zweiten Volumen gebildet ist, wobei im ersten Volumen das erste Material (5, 15) angeordnet ist, und im zweiten Volumen das zweite Material (6, 16), und wobei erstes Volumen und zweites Volumen beliebige Formen aufweisen, die unterschiedlich zu einer schichtweisen Anordnung der Volumina im Körper sind. Composite component for thermal gap control in a turbomachine with at least one first material ( 5 . 15 ) having a first thermal expansion coefficient and a second material ( 6 . 16 ) having a second coefficient of thermal expansion, wherein the first coefficient of thermal expansion differs from the second coefficient of thermal expansion, characterized in that the composite member forms a body having a geometric shape formed of at least a first volume and at least a second volume, wherein in the first volume the first material ( 5 . 15 ), and in the second volume the second material ( 6 . 16 ), and wherein the first volume and the second volume have any shapes that are different from a layered arrangement of the volumes in the body. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Volumen (6, 16) zumindest bereichsweise in das erste Volumen (5, 15) eingebettet ist und/oder auf mindestens einem Oberflächenabschnitt des ersten Volumens angeordnet ist, wobei eine Dicke des mindestens zweiten Volumens auf dem Oberflächenabschnitt des ersten Volumens entlang dieses Oberflächenabschnitts zumindest bereichsweise variiert. Composite component according to claim 1, characterized in that the second volume ( 6 . 16 ) at least partially into the first volume ( 5 . 15 ) is embedded and / or disposed on at least a surface portion of the first volume, wherein a thickness of the at least second volume on the surface portion of the first volume along this surface portion at least partially varies. Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und/oder die Position des ersten (5, 15) und zweiten (6, 16) Volumens derart gewählt ist, dass durch gezielte Temperierung, insbesondere gezieltes Heizen, ein an gegebene Betriebsanforderungen der Strömungsmaschine optimal angepasstes Verformungsverhalten des Verbundbauteils erreichbar ist. Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the shape and / or the position of the first ( 5 . 15 ) and second ( 6 . 16 ) Volume is selected such that by targeted temperature control, in particular targeted heating, a given operating requirements of the turbomachine optimally adapted deformation behavior of the composite component can be achieved. Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens erste (5, 15) oder zweite (6, 16) Volumen flächig, inselartig oder als zusammenhängende Zweigstruktur ausgebildet ist, wobei eine Materialverteilung insbesondere einem geometrischen und/oder komplexen Muster folgt. Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the at least first ( 5 . 15 ) or second ( 6 . 16 ) Volume is flat, island-like or formed as a contiguous branch structure, wherein a material distribution in particular follows a geometric and / or complex pattern. Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil mindestens eine Achse quer zu einer Hauptausdehnungsrichtung des Körpers des Verbundbauteils aufweist, entlang der die Ausdehnung des ersten (5, 15) oder zweiten (6, 16) Volumens gleich der Ausdehnung des Verbundbauteils ist. Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the composite component has at least one axis transverse to a main extension direction of the body of the composite component along which the extension of the first ( 5 . 15 ) or second ( 6 . 16 ) Volume is equal to the extent of the composite component. Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine, im ersten Volumen (15) eingebettete zweite Volumen das erste Volumen (15) durchdringt, wobei der Querschnitt des zweiten Volumens quer zu der Durchstoßachse insbesondere konstant ist. Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one, in the first volume ( 15 ) embedded second volume the first volume ( 15 ) penetrates, wherein the cross section of the second volume transversely to the puncture axis is in particular constant. Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass das erste und zweite Volumen (5, 6) beide keilförmig ausgebildet sind. Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second volumes ( 5 . 6 ) are both wedge-shaped. Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil eine Heizeinrichtung (28) aufweist. Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the composite component has a heating device ( 28 ) having. Verbundbauteil zur thermischen Spaltsteuerung in einer Strömungsmaschine, insbesondere in einer Gasturbine, mit einem ersten Material (22), das einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und mit einem zweiten Material (23), das einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei sich der erste Wärmeausdehnungskoeffizient vom zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil weiterhin eine Heizeinrichtung (28) aufweist. Composite component for thermal gap control in a turbomachine, in particular in a gas turbine, with a first material ( 22 ), which has a first thermal expansion coefficient, and with a second material ( 23 ), which has a second coefficient of thermal expansion, wherein the first coefficient of thermal expansion differs from the second coefficient of thermal expansion, characterized in that the composite component further comprises a heating device ( 28 ) having. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (28) zumindest teilweise in dem Verbundbauteil integriert und/oder einer Oberfläche davon angeordnet ist. Composite component according to one of claims 8 or 9, characterized in that the heating device ( 28 ) is at least partially integrated in the composite component and / or arranged on a surface thereof. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung ein Induktionselement (28) für eine induktive Heizung umfasst, wobei das Induktionselement insbesondere gegenüber dem ersten Material (22) und/oder dem zweiten Material (23) elektrisch isoliert in und/oder an dem Körper des Verbundbauteils angeordnet ist. Composite component according to one of Claims 8 to 10, characterized in that the heating device has an induction element ( 28 ) for an inductive heating, wherein the induction element in particular with respect to the first material ( 22 ) and / or the second material ( 23 ) is arranged electrically isolated in and / or on the body of the composite component. Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil mittels generativer Fertigungsverfahren, insbesondere mittels Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Laser Engineered Net Shaping (LENS), Laserauftragschweißen, Selektivem Laserschmelzen (SLM) oder selektivem Lasersintern (SLS), hergestellt ist. Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the composite component by means of generative manufacturing processes, in particular by electron beam melting (EBM), Laser Engineered Net Shaping (LENS), laser cladding, selective laser melting (SLM) or selective laser sintering (SLS), is produced. Strömungsmaschine mit einem Gehäuse mit einer Vielzahl an Gehäusebauteilen, einem Strömungskanal, und einem Rotor mit einer Vielzahl an Rotorschaufeln, der im Strömungskanal angeordnet ist, wobei einzelne Gehäusebauteile voneinander und/oder vom Rotor durch einen Spalt beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt mittels mindestens eines Verbundbauteils (4, 14, 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gezielt durch Temperaturänderung einstellbar ist. Turbomachine comprising a housing having a plurality of housing components, a flow channel, and a rotor having a plurality of rotor blades, which is arranged in the flow channel, wherein individual housing components are spaced from each other and / or from the rotor by a gap, characterized in that the gap by means of at least one composite component ( 4 . 14 . 24 ) according to one of the preceding claims specifically adjustable by temperature change. Strömungsmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundbauteil eine Blende oder ein Verdichter- oder Turbinenschaufelüberhang, insbesondere mit Restriktorwirkung, oder eine Halterung für eine Blende, insbesondere ein Ringwandsegment ist. Turbomachine according to the preceding claim, characterized in that the composite component is a diaphragm or a compressor or turbine blade overhang, in particular with restrictor effect, or a holder for a diaphragm, in particular an annular wall segment. Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei welchem ein Bimetallbauteil oder ein Verbundbauteil (4, 14, 24) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, aktiv gekühlt oder beheizt wird. Method for operating a turbomachine, in particular a turbomachine according to one of claims 13 or 14, in which a bimetallic component or a composite component ( 4 . 14 . 24 ) according to one of claims 1 to 12, actively cooled or heated.
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