DE102013216392A1

DE102013216392A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Bauteils einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102013216392A1
Application number: DE201310216392
Authority: DE
Inventors: Dieter Hofmann
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Bauteils 18 einer Strömungsmaschine umfassend mindestens einen Kanal 12 und/oder eine Hohlstruktur 14 für den Durchfluss eines Mediums 16 zur zumindest teilweisen Kühlung oder Erwärmung von zumindest einer Oberfläche 20 des Bauteils 18, wobei das Bauteil 18 eine Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur 22 der Strömungsmaschine ist und der mindestens eine mediumleitende Kanal 12 und/oder die mindestens eine mediumleitende Hohlstruktur 14 im Bereich der Oberfläche 20 der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur 22 ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Bauteils einer Strömungsmaschine sowie ein Herstellungsverfahren der im Vorhergehenden genannten Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Bauteils einer Strömungsmaschine umfassend mindestens einen Kanal und/oder eine Hohlstruktur für den Durchfluss eines Mediums zur zumindest teilweisen Kühlung oder Erwärmung von zumindest einer Oberfläche des Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Bauteils einer Strömungsmaschine und ein Herstellungsverfahren der im Vorhergehenden genannten Vorrichtung.
Vorrichtungen zur Regelung der Temperatur von Bauteilen einer Strömungsmaschine kommen insbesondere bei gekühlten bzw. beheizten Gasturbinengehäusen zum Einsatz. Zirkulationsstrukturen bzw. Rezirkulationsstrukturen für Strömungsmaschinen, insbesondere für Turboverdichter sind in Form so genannter „Casing Treatments“ und „Hub Treatments“ bekannt. Diese Zirkulationsstrukturen haben primär die Aufgabe, den aerodynamisch stabilen Betriebsbereich der Strömungsmaschine, insbesondere des Verdichters zu erhöhen. Dabei wird die so genannte Pumpgrenze zu höheren Verdichterdrücken hin, d. h. zu einer höheren Verdichterbelastung, verschoben. Die für das Pumpen des Verdichters verantwortlichen Störungen treten unter anderem an gehäuseseitigen Enden von Laufschaufeln auf. Durch die Zirkulations- bzw. Rezirkulationsstrukturen werden die Strömungen in diesen Bereichen stabilisiert. Derartige Zirkulationsstrukturen sind z. B. aus der DE 10 2008 010 283 A1 und der DE 103 30 084 A1 bekannt.
Durch bestimmte Umgebungsbedingungen und die Anordnung innerhalb einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters kann aber die Oberfläche einer Zirkulations- bzw. Rezirkulationsstruktur von Vereisung betroffen sein. Da die Zirkulationsstrukturen im Verdichter im Allgemeinen derart angeordnet sind, dass sie von außen nicht ohne weiteres zugänglich sind, ist es sehr arbeitsaufwendig mögliche Vereisungen in diesen Bereichen zu beseitigen.
Neben einer Vereisung der Zirkulationsstrukturen kann es jedoch auch zu einer Überhitzung dieser kommen. Eine derartige Überhitzung verschlechtert die aerodynamischen Bedingungen in diesem Bereich und wirkt somit kontraproduktiv. Sowohl die genannte Vereisung wie auch die Überhitzung der Zirkulations- oder Rezirkulationsstrukturen verschlechtern die Wirkungsweise dieser Einrichtung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Bauteils einer Strömungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche ein verbessertes aerodynamisches Verhalten und damit unter anderem eine Verbesserung des Pumpgrenzabstands gewährleisten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, zumindest einige Elemente der entsprechenden Vorrichtung formgenau und kostengünstig herzustellen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für die Vorrichtung ist mit den Merkmalen des Anspruchs 12 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Temperaturregelung – und umgekehrt – anzusehen sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Bauteils einer Strömungsmaschine umfasst mindestens einen Kanal und/oder eine Hohlstruktur für den Durchfluss eines Mediums zur zumindest teilweisen Kühlung oder Erwärmung von zumindest einer Oberfläche des Bauteils, wobei das Bauteil eine Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur der Strömungsmaschine ist und der mindestens eine mediumleitende Kanal und/oder die mindestens eine mediumleitende Hohlstruktur im Bereich der Oberfläche der Zirkulations- und Rezirkulationsstruktur ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Kanals und/oder der Hohlstruktur im Bereich der Oberfläche der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur ist es möglich, die Temperatur in diesem Bereich zu regeln. So kann bei einer möglichen Vereisung der Oberfläche der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur über den mediumsleitenden Kanal und/oder die mediumleitende Hohlstruktur Wärmeenergie in diesen Bereich zugeführt werden. Dadurch kann bereits vor dem Eintreten der Vereisung ein Eisansatz in diesem Bereich verhindert werden. Entsprechendes gilt bei einer möglichen Überhitzung der Oberfläche der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur. In diesem Fall kann über den Kanal und/oder die Hohlstruktur ein Kühlmedium zur Kühlung der Oberfläche zugeführt werden. Das Medium kann in einem flüssigen und/oder gasförmigen Aggregatszustand vorliegen. Da die Temperatur im Bereich und/oder an der Oberfläche der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur somit in einem vorbestimmten Temperaturbereich bzw. -intervall gehalten werden kann, werden negative Einflüsse auf die Aerodynamik in diesem Bereich durch eine mögliche Vereisung oder eine Überhitzung zuverlässig verhindert.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Kanal und/oder die Hohlstruktur innerhalb der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur ausgebildet. Es ist aber auch möglich, den Kanal und/oder die Hohlstruktur in einem Bereich radial hinter einer die Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur begrenzenden Wand anzuordnen. Je nach Ausgestaltung der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur kann damit vorteilhafterweise die Position der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter aerodynamischen Gesichtspunkten optimiert gewählt werden. Bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur kann diese derart ausgeformt sein, dass sie als Teil der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur der Aerodynamik in diesem Bereich verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Kanal und/oder die Hohlstruktur mit mindestens einer Wärmequelle, mindestens einer Heizvorrichtung, mindestens einer Kühlluftquelle und/oder mindestens einer Kühlvorrichtung verbunden. Je nach Anforderungen an die erfindungsgemäße Vorrichtung können dabei der Kanal und/oder die Hohlstruktur an eine oder mehrere Heiz- und/oder Kühlquellen angeschlossen sein.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der mindestens eine mediumleitende Kanal und/oder die mindestens eine mediumleitende Hohlstruktur der Vorrichtung und die Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur einstückig ausgebildet. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der mindestens eine mediumleitende Kanal und/oder die mindestens eine mediumleitende Hohlstruktur der Vorrichtung und ein Gehäuse der Strömungsmaschine einstückig ausgebildet sind. Auch weitere einstückige Kombinationen der genannten Elemente sind denkbar. Durch die integrierte Ausgestaltung der genannten Elemente können diese insbesondere über generative Herstellungsverfahren kostengünstig hergestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Hohlstruktur mäandrierend verlaufende Kanalstrukturen auf. Durch eine derartige Ausgestaltung der Kanalstrukturen ergibt sich ein besonders effektiver Heiz- oder Kühleffekt im Bereich und/oder an der Oberfläche der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur in einem Verdichtergehäuse und/oder in einem Teil oder Bereich – beispielsweise einem nabenseitigen Ende – einer Leitschaufel der Strömungsmaschine ausgebildet.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Bauteils einer Strömungsmaschine unter Verwendung einer im Vorhergehenden beschriebenen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:

a) kontinuierliche oder sequentielle Messung und/oder Ermittlung der Temperatur im Bereich und/oder an der Oberfläche der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur; und
b) Regelung der Zufuhr des Medium über den mindestens einen mediumleitenden Kanal und/oder die mindestens die eine mediumleitende Hohlstruktur in dem Bereich der Oberfläche zur zumindest teilweisen Kühlung oder Erwärmung der Oberfläche bei einem Über- oder Unterschreiten eines vorgegeben Temperaturintervalls.

Damit wird z. B. eine Vereisung der Oberfläche der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur weitgehend verhindert. Entsprechendes gilt für eine mögliche Überhitzung der genannten Oberflächen und Bereiche. Das aerodynamische Verhalten einer Strömungsmaschine umfassend mindestens eine Vorrichtung wie im Vorhergehenden beschrieben, wird dadurch deutlich verbessert.
In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Messung der Temperatur gemäß Verfahrensschritt a) direkt mittels wenigstens einem Temperatursensor. Es ist aber auch möglich, dass die Messung der Temperatur gemäß Verfahrensschritt a) indirekt über die Ermittlung der Temperatur des Mediums durchgeführt wird. Die Art der Temperaturmessung kann den baulichen Gegebenheiten der Strömungsmaschine im Bereich der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur angepasst werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wie im Vorhergehenden beschrieben. Damit werden zumindest der mindestens eine mediumleitende Kanal und/oder die mindestens eine mediumleitende Struktur mittels eines generativen Herstellungsverfahrens hergestellt. Es ist aber auch möglich, dass der mindestens eine mediumleitende Kanal und/oder die mindestens eine mediumleitende Struktur mit der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur einstückig ausgebildet werden. Durch die Verwendung von generativen Fertigungsverfahren ist ein formgenaues und kostengünstiges Herstellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Dabei kann es sich bei dem generativen Herstellungsverfahren um ein selektives Laserschmelzverfahren oder ein selektives Lasersinterverfahren handeln. Auch andere generative Herstellungsverfahren sind verwendbar.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt
1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
2 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung 10 zur Regelung der Temperatur eines Bauteils 18 einer Strömungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Vorrichtung 10 umfasst dabei einen Kanal 12 für den Durchfluss eines Mediums 16 zur Kühlung oder Erwärmung von zumindest einem Teilbereich einer Oberfläche 20 des Bauteils 18. Das Bauteil 18 ist als Zirkulationsstruktur 22 ausgebildet. Man erkennt, dass das Medium 16 über eine Zuflussleitung 30, die mittels eines Verbindungselementes 32 an einem Gehäuse 26 der Strömungsmaschine angeordnet ist, und den Kanal 12, der innerhalb des Gehäuses 26 und bereichsweise innerhalb der Zirkulationsstruktur 22 verläuft, in den Bereich bzw. an die Oberfläche 20 der Zirkulationsstruktur 22 geführt wird. Über eine Abflussleitung 28 tritt das Medium 16 wieder aus dem Gehäuse 26 aus. Die Abflussleitung 28 ist dabei ebenfalls über ein Verbindungselement 32 mit dem Gehäuse 26 verbunden. Das Medium 16 kann einen gasförmigen oder flüssigen Aggregatszustand aufweisen. Beispielsweise kann die Zuflussleitung 30 Warm- oder Kaltluft aus einem vorbestimmten Bereich der Strömungsmaschine zu der Hohlstruktur 14 leiten. Durch die spezifische Anordnung des Kanals 12 kann die Oberfläche 20 der Zirkulationsstruktur 22 gekühlt oder beheizt werden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 26 ein Verdichtergehäuse einer Strömungsmaschine. Man erkennt, dass die Zirkulationsstruktur 22 durch eine Wand 24 gegenüber dem Gehäuse 26 begrenzt wird. Der mediumleitende Kanal 12 kann auch radial hinter der Wand 24 angeordnet sein. Die Zirkulationsstruktur 22 kann dabei als ringförmiges Einzelelement oder als integraler Gehäusebestandteil des Gehäuses 26 ausgebildet sein.
In 1 ist zudem die räumliche Anordnung der Zirkulationsstruktur 22 relativ zu einem Ende einer Laufschaufel 34 des Verdichters dargestellt.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung 10 zur Regelung der Temperatur eines Bauteils 18 einer Strömungsmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 10 hier eine Hohlstruktur 14, die innerhalb der Zirkulationsstruktur 22 angeordnet ist. Aus der Abbildung wird deutlich, dass die Hohlstruktur 14 mäandrierend verlaufenden Kanalstrukturen aufweist. Die Hohlstrukur 14 ist über entsprechende Kanäle 36, 38 mit der Abflussleitung 28 bzw. der Zuflussleitung 30 für das Medium 16 verbunden. Die in den 1 und 2 dargestellten Pfeile zeigen eine mögliche Fließrichtung des Mediums 16. Das Medium 16 kann dabei einen gasförmigen oder flüssigen Aggregatszustand aufweisen. Beispielsweise kann die Zuflussleitung 30 Warm- oder Kaltluft aus einem vorbestimmten Bereich der Strömungsmaschine zu der Hohlstruktur 14 leiten. Die innerhalb der Zirkulationsstruktur 22 ausgebildete Hohlstruktur 14 kann dabei aerodynamisch optimiert ausgeformt sein. Auch die Hohlstruktur 14 kann dabei integral mit dem Gehäuse 26 ausgebildet sein. Die Zirkulationsstruktur 22 kann wiederum als ringförmiges Einzelelement oder ebenfalls als integraler Gehäusebestandteil ausgeführt sein. Bezüglich der übrigen Merkmale wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels in 1 verwiesen.
Die in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtungen 10 werden zumindest teilweise mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, insbesondere eines selektiven Laserschmelz- oder selektiven Lasersinterverfahrens hergestellt. Dabei kann insbesondere der mediumleitende Kanal 12 und/oder die mediumleitende Hohlstruktur 14 und die Zirkulationsstruktur 22 einstückig ausgebildet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Kanal 12 und/oder die Hohlstruktur 14 mit dem Gehäuse 26 der Strömungsmaschine einstückig ausgebildet ist. Auch eine integrale Ausbildung des Kanals 12 und/oder der Hohlstruktur 14, der Zirkulationsstruktur 22 und des Gehäuses 26 ist möglich. Bei dem genannten generativen Herstellungsverfahren wird vorzugsweise ein zweistufiger Prozess wiederholend ausgeführt, wobei in einem ersten Schritt des zweistufigen Prozesses ein gleichmäßiges Pulverbett bereitgestellt wird. In einem zweiten Schritt wird auf Basis von aus einem dreidimensionalen CAD-Modell erzeugten Schichten das Pulver des Pulverbetts selektiv aufgeschweißt und damit verfestigt. Durch die wiederholende Ausführung dieses zweistufigen Prozesses werden die herzustellenden Bauteile schichtweise und damit sukzessive aufgebaut. Das in dem ersten Schritt bereitgestellte Pulver besteht dabei aus Metall, einer Metall-Legierung oder Keramik. Auch andere generative Herstellungsverfahren sind verwendbar. Durch die Verwendung von generativen Herstellungsverfahren ergeben sich vorteilhafterweise geometrische Freiheiten bei der Ausgestaltung der Vorrichtung 10, der Zirkulationsstruktur 22 und/oder des Gehäuses 26.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008010283 A1 [0002]
DE 10330084 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Bauteils (18) einer Strömungsmaschine umfassend mindestens einen Kanal (12) und/oder eine Hohlstruktur (14) für den Durchfluss eines Mediums (16) zur zumindest teilweisen Kühlung oder Erwärmung von zumindest einer Oberfläche (20) des Bauteils (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (18) eine Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur (22) der Strömungsmaschine ist und der mindestens eine mediumleitende Kanal (12) und/oder die mindestens eine mediumleitende Hohlstruktur (14) im Bereich der Oberfläche (20) der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur (22) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) und/oder die Hohlstruktur (14) innerhalb der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur (22) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) und/oder die Hohlstruktur (14) in einem Bereich radial hinter einer die Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur (22) begrenzenden Wand (24) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) und/oder die Hohlstruktur (14) mit mindestens einer Heizvorrichtung, mindestens einer Wärmequelle, mindestens einer Kühlvorrichtung und/oder mindestens einer Kühlluftquelle verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine mediumleitende Kanal (12) und/oder die mindestens eine mediumleitende Hohlstruktur (14) der Vorrichtung (10) und die Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur (22) einstückig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine mediumleitende Kanal (12) und/oder die mindestens eine mediumleitende Hohlstruktur (14) der Vorrichtung (10) und ein Gehäuse (26) der Strömungsmaschine einstückig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlstruktur (14) mäandrierend verlaufende Kanalstrukturen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur (22) in einem Verdichtergehäuse und/oder in einem Teil oder Bereich einer Leitschaufel der Strömungsmaschine ausgebildet ist.
Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Bauteils (18) einer Strömungsmaschine unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Kontinuierliche oder sequentielle Messung und/oder Ermittlung der Temperatur im Bereich und/oder an der Oberfläche (20) der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur (22); und b) Regelung der Zufuhr des Mediums (16) über den mindestens einen mediumleitenden Kanal (12) und/oder die mindestens eine mediumleitende Hohlstruktur (14) in den Bereich der Oberfläche (20) zur zumindest teilweisen Kühlung oder Erwärmung der Oberfläche (20) bei einem Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Temperaturintervalls.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Temperatur gemäß Verfahrensschritt a) direkt mittels wenigstens einem Temperatursensor erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Temperatur gemäß Verfahrensschritt a) indirekt über die Ermittlung der Temperatur des Mediums (16) durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der mindestens eine mediumleitende Kanal (12) und/oder die mindestens eine mediumleitende Struktur (14) mittels eines generativen Herstellungsverfahrens hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine mediumleitende Kanal (12) und/oder die mindestens eine mediumleitende Struktur (14) mit der Zirkulations- oder Rezirkulationsstruktur (22) einstückig ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das generative Herstellungsverfahren ein selektives Laserschmelzverfahren oder ein selektives Lasersinterverfahren ist.