DE102014213911A1

DE102014213911A1 - Aerogel-Auskleidungselement für Strömungsmaschinen

Info

Publication number: DE102014213911A1
Application number: DE102014213911.2A
Authority: DE
Inventors: Günter RAMM
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Strömungsmaschine mit einem Strömungskanal (2), durch den ein Fluid strömen kann, einem Gehäuse (1, 10a, 10b), welches den Strömungskanal umgibt, und mindestens einem Rotor (3), der drehbar im Strömungskanal angeordnet ist, wobei zur Begrenzung des Strömungskanals mindestens ein Auskleidungselement (6, 7, 9) zur Vermeidung von Toträumen und/oder Nebenströmungen oder zur Ausbildung einer Dichtung angeordnet ist, welches aus einem Aerogel gebildet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft thermische Strömungsmaschinen, wie stationäre Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerke, mit einem Strömungskanal, durch den ein Fluid strömen kann, mit einem Gehäuse, welches den Strömungskanal umgibt, und mit mindestens einem Rotor, der drehbar im Strömungskanal angeordnet ist.
STAND DER TECHNIK
Thermische Strömungsmaschinen, wie Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerke, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Strömungsmaschinen sind grundsätzlich so aufgebaut, dass sie einen Strömungskanal aufweisen, durch den ein Fluid strömen kann, um verdichtet zu werden oder Arbeit zu verrichten, wie beispielsweise Luft bzw. Verbrennungsgase. Der Strömungskanal wird üblicherweise von einem Gehäuse umgeben, welches mindestens einen Rotor aufnimmt, der drehbar im Strömungskanal angeordnet ist, um beispielsweise die Verdichtung des Fluids vorzunehmen oder die Verbrennungsenergie in Rotationsbewegung umzusetzen.
Ein entsprechender Rotor weist üblicherweise eine Vielzahl von Laufschaufeln auf, die an einer drehenden Welle angeordnet sind. Um Strömungsverluste zwischen den freien Enden der Laufschaufel und dem Gehäuse zu vermeiden, ist der Spalt zwischen den freien Enden der Laufschaufel möglichst klein dimensioniert. Allerdings kann der Spalt nicht einfach klein dimensioniert werden, da durch unterschiedliche Betriebsbedingungen und sich daraus ergebende unterschiedliche Betriebstemperaturen die Bauteile in ihren Dimensionen schwanken und sich somit auch die Spaltbreite ändert. Um dies zu kompensieren, ist es bekannt, sogenannte Dichtsysteme vorzusehen, die beispielsweise Dichtspitzen an den Laufschaufeln und Einlaufbeläge aus sogenannten Wabenstrukturen oder dergleichen am umgebenden Gehäuse umfassen, um den freien Enden der Laufschaufel mit den Dichtspitzen zu ermöglichen sich in den Einlaufbelag einzuschleifen, um so eine für möglichst viele Betriebsbedingungen der Strömungsmaschine optimale Dichtwirkung zu erzielen.
Darüber hinaus können die Dichtsysteme zusätzlich die Funktion einer thermischen Isolierung übernehmen, um das Gehäuse vor zu hohem Temperatureinfluss durch heiße Gase im Strömungskanal zu schützen.
Beispiele für derartige Dichtsysteme sind beispielsweise in der DE 10 2007 056 452 A1 und DE 10 360 164 A1 bzw. der WO 2008/011864 A1 offenbart.
Obwohl damit bereits wirksame Dichtsysteme zur Vermeidung hoher Strömungsverluste und zur Erzielung einer Dämmwirkung vorhanden sind, sodass ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erzielt werden kann, besteht weiterhin Bedarf die Strömung des Fluids im Strömungskanal und die thermische Isolierung des Gehäuses zu optimieren, um den Wirkungsgrad weiter zu verbessern. Insbesondere bei Flugzeugtriebwerken, bei denen zusätzlich auch auf ein niedriges Gewicht der gesamten Strömungsmaschine geachtet werden muss, besteht weiterhin Verbesserungsbedarf, um ausgewogene Eigenschaftsprofile zu erzielen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Strömungsmaschine bereitzustellen, bei der der Strömungsverlauf des Fluids im Strömungskanal optimiert ist und Wirkungsgradverluste durch Toträume und/oder Nebenströmungen vermieden oder minimiert werden. Ferner soll die thermische Isolierung des Gehäuses verbessert werden. Dabei soll insbesondere bei Flugzeugtriebwerken der gewichtsspezifische Wirkungsgrad, d. h. der Wirkungsgrad bezogen auf das Gesamtgewicht der Strömungsmaschine verbessert werden. Gleichzeitig soll die Strömungsmaschine jedoch einfach herstellbar und zuverlässig betreibbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, bei thermischen Strömungsmaschinen zur Begrenzung des Strömungskanals mindestens ein, vorzugsweise mehrere Auskleidungselemente zur Vermeidung von Toträumen und/oder Nebenströmungen anzuordnen, wobei das oder die Auskleidungselemente aus einem Aerogel gebildet sind. Durch ein entsprechendes Auskleidungselement können Toträume sowie Räume für Nebenströmungen verringert bzw. vermieden werden und der Strömungskanal kann entsprechend einer optimalen Form für die Strömung des Fluids ausgebildet werden. Insbesondere kann durch ein Auskleidungselement, welches aus einem Aerogel gebildet ist, eine großflächige, insbesondere nahezu vollständige Auskleidung des Strömungskanals erfolgen, ohne dass die Strömungsmaschine, beispielsweise für Flugzeugtriebwerke ein zu hohes Gewicht aufweist. Durch die Auskleidungselemente aus Aerogel kann weiterhin die thermische Isolierung verbessert werden, so dass die Temperatur des Strömungsfluids erhöht und/oder das Gehäuse leichter dimensioniert werden kann.
Aerogele sind hoch poröse Festkörper, die sich durch ihre Struktur mit einer Vielzahl von klein dimensionierten Poren und einer hohen Porosität auszeichnen. Außerdem weisen die Aerogele durch ihren Herstellungsprozess aus einem gallertartigen Gel eine charakteristische Struktur auf, die für den Einsatz als Auskleidungselement für Strömungskanäle von thermischen Strömungsmaschinen besonders geeignet ist.
So kann das eingesetzte Auskleidungselement aus einem Aerogel eine Porosität im Bereich von 80 % bis 98,8 %, insbesondere 90 % bis 98 % und vorzugsweise 95 % bis 97 % aufweisen, sodass der entsprechende Festkörper ein sehr großes Volumen, aber ein niedriges Gewicht aufweist, da entsprechend den angegebenen Prozentangaben der Festkörper zum überwiegenden Teil aus Poren besteht. Die durchschnittliche oder maximale Porengröße des eingesetzten Auskleidungselements aus einem Aerogel kann im Bereich von ≤ 100 nm, vorzugsweise ≤ 75 nm und insbesondere ≤ 50 nm gewählt werden, sodass durch die geringe Porengröße trotz der hohen Porosität eine hohe Festigkeit erzielt werden kann.
Das Auskleidungselement aus einem Aerogel kann eine Rohdichte, also eine auf das gesamte Volumen des Festkörpers bezogene Masse von ≤ 0,5g/cm³, insbesondere ≤ 5·10^–2 g pro/cm³ und insbesondere ≤ 5·10^–3g/cm³ aufweisen, sodass trotz einer möglichst vollständigen oder zumindest sehr großflächigen Auskleidung mit den aus Aerogel gefertigten Auskleidungselementen nur eine geringe Erhöhung des Gewichts der Strömungsmaschine verbunden ist.
Ein entsprechendes Aerogel kann eine spezifische Oberfläche ≥ 100 m²/g, vorzugsweise ≥ 500 m²/g und insbesondere ≥ 1000 m²/g aufweisen.
Das Auskleidungselement kann aus einem Aerogel auf der Basis eines Stoffes gebildet sein, der zumindest einen Bestandteil der Gruppe umfasst, die Metalle, Metalloxide, Übergangsmetalloxide, Oxide der Lanthanide und Actinoide, Oxide einer Metallhauptgruppe, Siliziumoxid, Silikate, Kohlenstoff, Polymere und Halbleiterelemente aufweist. Insbesondere Silikat-Aerogele sind für den beschriebenen Einsatzzweck gut geeignet.
Die Auskleidungselemente können an einer Innenseite des Gehäuses und/oder als äußere Rotorabdichtung (Outer Air Seal) oder an einem Stator (Leitschaufel) und/oder als innere Statorabdichtung (Inner Air Seal) in der Strömungsmaschine aufgenommen sein.
Das Auskleidungselement kann zumindest teilweise eine Oberfläche mit einer Oberflächenform aufweisen, die der Form eines optimierten Strömungskanals entspricht, sodass ein optimierter Durchfluss des Fluids durch den Strömungskanal und somit ein hohen Wirkungsgrad erreicht werden kann. Durch mehrere nebeneinander angeordnete Auskleidungselemente kann dann insgesamt die optimierte Strömungskanalform eingestellt werden.
Neben der Anordnung von mehreren Auskleidungselementen nebeneinander in axialer Richtung können die Auskleidungselemente auch in Umfangsrichtung mehrteilig ausgebildet sein, um eine einfachere Montage zu ermöglichen. Entsprechend können die Auskleidungselemente sowohl in axialer als auch in radialer Richtung einander überlappen. Zur besseren Montage kann auch eine geeignete Unterteilung des umgebenden Gehäuses beitragen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine; und in
2 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Strömungsmaschine in vergrößerter Darstellung.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Die 1 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch eine Strömungsmaschine, wie beispielsweise eine Gasturbine oder ein Flugzeugtriebwerk. Die Strömungsmaschine umfasst ein Gehäuse 1 mit einer äußeren Gehäusestruktur 10a und einer inneren Gehäusestruktur 10b, welches einen Strömungskanal 2 umgibt, durch die ein Fluid, wie beispielsweise Luft und Verbrennungsgase strömen können. In dem Strömungskanal 2 ist mindestens ein Rotor 3 mit einer Vielzahl von Laufschaufeln 4, die an einer Welle angeordnet sind, gelagert. Darüber hinaus können in dem Strömungskanal 2 stationäre Leitschaufeln 8 vorgesehen sein, die das durch den Strömungskanal 2 strömende Fluid in geeigneter Weise auf die Laufschaufeln 4 leiten. Entlang der Längsachse der Strömungsmaschine können abwechselnd mehrere Reihen von Leitschaufeln 8 und Laufschaufeln 4 angeordnet sein, wobei in der Darstellung der 1 lediglich eine Laufschaufel- und Leitschaufelreihe gezeigt sind.
Das Gehäuse 1 kann aus einer Vielzahl von einzelnen Komponenten aufgebaut sein, die der Einfachheit halber in der 1 nicht detailliert dargestellt sind. Durch die Struktur des Gehäuses 1 kann es jedoch im Bereich des Strömungskanals 2 zu Toträumen und/oder Nebenströmungsbereichen kommen, in denen das Fluid aus dem Hauptströmungsbereich entweichen kann, sodass es nicht auf die Laufschaufeln 4 trifft, um diese anzutreiben oder von diesem bewegt zu werden.
Entsprechend können erfindungsgemäß Auskleidungselemente 6, 7 an der Innenseite des Gehäuses 1 angeordnet sein, die die Toträume und/oder Nebenströmungsbereiche verringern bzw. beseitigen. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßes Auskleidungselement 7 als eine sogenannte äußere Rotordichtung (Outer Air Seal) ausgebildet sein, die den Strömungskanal 2 im Bereich der Laufschaufeln 4 gegenüber dem Gehäuse 1 abdichtet und dafür sorgt, dass im Wesentlichen kein Fluid oder nur sehr wenig Fluid entlang des Gehäuses 1 radial außen an den Laufschaufeln 4 vorbei strömen kann.
Darüber hinaus können weitere Auskleidungselemente 9 an Leitschaufeln 8 gegenüber der Welle 5 angeordnet sein, um beispielsweise eine sogenannte innere Stator- oder Leitschaufelabdichtung (Inner Air Seal) auszubilden.
Die Situation im Bereich zwischen Gehäuse 1 und freiem Ende der Laufschaufel 4 ist in der 2 in größerem Detail dargestellt. Die 2 zeigt, dass an dem freien Ende der Laufschaufel 4 sogenannte Dichtfinnen 11, 12 vorgesehen sind, die so mit einem Auskleidungselement 7 bzw. einer äußeren Rotordichtung zusammenwirken, dass die Dichtfinnen 11, 12 während des Betriebs Nuten in das Auskleidungselement 7 einschleifen, sodass eine besonders gute Abdichtung erzielt wird. Da sich auf Grund der unterschiedlichen thermischen Verhältnisse beim Betrieb einer entsprechenden Strömungsmaschine die Lage der Dichtfinnen 11, 12 bezüglich des gegenüber liegenden Auskleidungselements 7 verändern kann, gibt es Bereiche 16, 17, innerhalb denen die Dichtfinnen 11, 12 in das Auskleidungselement 7 eingreifen. Gleiches gilt für die Kanten 13, 14 der Laufschaufeln 4 an den axialen Enden, die sich ebenfalls gegenüber dem Auskleidungselement 7 einschleifen können.
Durch Ausbildung der Auskleidungselemente 6, 7, 9 in Form eines Aerogels kann der Strömungskanal 2 großflächig im Bereich des Gehäuses 1 oder im Bereich eines Stators 8 oder der Welle 5 des Rotors ausgekleidet werden, um Toträume und/oder Nebenströmungsräume zu vermeiden. Durch das niedrige spezifische Gewicht der Aerogele ist eine großflächige Auskleidung möglich. So können mehr als 50 %, insbesondere mehr als 75 %, vorzugsweise mehr als 90 % zumindest der radial äußeren Begrenzungsfläche eines Strömungskanals mit erfindungsgemäßen Auskleidungselementen aus einem Aerogel ausgekleidet sei. Die Auskleidungselemente 6, 7, 9, 10 können mit der entsprechenden Oberfläche 19 versehen werden, die der optimalen Form des Strömungskanals 2 entspricht oder zumindest angenähert ist, sodass der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erhöht werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale des Ausführungsbeispiels weggelassen werden können oder dass andere Kombinationen der Merkmale des Ausführungsbeispiels verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Strömungskanal
3: Rotor
4: Laufschaufel
5: Welle
6: Auskleidungselement
7: Auskleidungselement
8: Leitschaufel
9: Auskleidungselement
10a: äußere Gehäusestruktur
10b: innere Gehäusestruktur
11: Dichtfinne
12: Dichtfinne
13: Kante
14: Kante
15: Einschleifbereich
16: Einschleifbereich
17: Einschleifbereich
18: Einschleifbereich
19: Oberfläche eines Auskleidungselements

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007056452 A1 [0005]
DE 10360164 A1 [0005]
WO 2008/011864 A1 [0005]

Claims

Thermische Strömungsmaschine mit einem Strömungskanal (2), durch den ein Fluid strömen kann, einem Gehäuse (1, 10a, 10b), welches den Strömungskanal umgibt, und mindestens einem Rotor (3), der drehbar im Strömungskanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung des Strömungskanals mindestens ein Auskleidungselement (6, 7, 9) zur Vermeidung von Toträumen und/oder Nebenströmungen oder zur Ausbildung einer Dichtung angeordnet ist, welches aus einem Aerogel gebildet ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel ein poröser Festkörper auf Basis mindestens einer Komponente der Gruppe ist, die Metalle, Metalloxide, Übergangsmetalloxide, Oxide der Lanthanide und Actinoide, Oxide einer Metallhauptgruppe, Siliziumoxid, Silikate, Kohlenstoff, Polymere und Halbleiterelemente umfasst.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel aus einem gallertartigen Gel gefertigt ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel eine Porosität im Bereich von 80 % bis 98,8 %, insbesondere 90 % bis 98 %, vorzugsweise 95 % bis 97 % aufweist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel eine durchschnittliche oder maximale Porengröße im Bereich von ≤ 100 nm, vorzugsweise ≤ 75 nm, insbesondere ≤ 50 nm aufweist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel eine Rohdichte ≤ 0,5 g/cm³, insbesondere ≤ 5·10^–2 g/cm³, vorzugsweise ≤ 5·10^–3 g/cm³ aufweist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel eine spezifische Oberfläche ≥ 100 m²/g, vorzugsweise ≥ 500 m²/g, insbesondere ≥ 1000 m²/g aufweist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskleidungselement (6, 7, 9) an einer Innenseite des Gehäuses und/oder als äußere Rotorabdichtung oder an einem Stator und/oder als eine innere Leitschaufelabdichtung angeordnet ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskleidungselement (6, 7, 9) zumindest teilweise eine Oberfläche (19) mit einer Oberflächenform aufweist, die der Form des Strömungskanals entspricht.