-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
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.
-
STAND DER TECHNIK
-
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.
-
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.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
AUFGABE DER ERFINDUNG
-
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.
-
TECHNISCHE LÖSUNG
-
Die oben genannten Aufgaben werden durch ein Verbundbauteil zur thermischen Spaltsteuerung in Strömungsmaschinen gemäß Anspruch 1, einer Strömungsmaschine gemäß Anspruch 4 und einem Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Das erste und zweite Volumen können keilförmig sein.
-
Das Verbundbauteil kann unterschiedliche Volumenmengen an dem ersten und an dem zweiten Material aufweisen.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail erläutert. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
-
1A und 1B ein herkömmliches Bimetall;
-
2A und 2B ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
-
3A und 3B ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und in
-
4A und 4B ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil gemäß einer dritten Ausführungsform mit lokaler induktiver Heizung.
-
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
