DE19934050A1 - Gasturbine - Google Patents

Abstract

Bei einer Gasturbine mit Schaufelkränzen (25, 26) ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß bei wenigstens einem Schaufelkranz (26) die Turbinenschaufeln (21) zur Verbesserung der Strömungseigenschaften an ihrer Oberfläche im wesentlichen in Richtung der Gasanströmung verlaufende Nuten (22, 23, 24) aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit mehreren Schaufelkränzen, die jeweils mehrere Schaufeln aufweisen.

Gasturbinen dienen zur Umwandlung von Wärmeenergie in Rotati­ onsenergie und werden zur stationären Energieerzeugung bzw. zum Antrieb von Flugzeugen verwendet. Eine Gasturbine ist durch eine hohe Rotationsgeschwindigkeit von in ihr axial an­ geordneten Schaufelkränzen und eine hohe Gasströmungsge­ schwindigkeit gekennzeichnet. Dabei ist zur Erzielung einer hohen Energieausbeute die Perfektionierung der Gasströmung im Inneren der Gasturbine anzustreben.

Eine Gasturbine weist einen Verdichterteil mit Statorschau­ feln und zwischen diesen rotierenden Verdichterschaufelkrän­ zen auf, die auf einer durchgehenden Welle gelagert sind, die auch die Antriebsschaufeln trägt. Zwischen dem Verdichterteil und dem Antriebsteil ist ein Brennerteil angeordnet, in dem Gas durch Verbrennung expandiert.

Um Verwirbelungen der Gasströmung in der Gasturbine zu mini­ mieren, wird eine geeignete Formgebung und Ausrichtung von Statorschaufeln und Laufschaufeln angestrebt.

Zur Vermeidung von Reibungsverlusten an den Oberflächen der angeströmten Turbinenteile wurde bislang eine möglichst glat­ te Oberflächenbeschaffenheit angestrebt, in dem Sinn, daß je­ de Art von mikroskopischen oder makroskopischen Rauhigkeiten möglichst beseitigt wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art Reibungsverluste infolge von Wechselwirkung der Gasströmung mit der Oberfläche von Gasturbinenteilen weiter zu minimieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Schaufeln wenigstens eines Schaufelkranzes zur Verbesserung der Strömungseigenschaften an ihrer Oberfläche im wesentli­ chen in Richtung der Gasanströmung verlaufende Nuten aufwei­ sen.

Aus der allgemeinen wissenschaftlichen Literatur beispiels­ weise zur Bionik ist bekannt (vergleiche D. W. Bechert et al. "Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable geometry, Fluid Mechanics (1997) vol. 338 pp 59-87, AIAA 97-1960 Biological surfaces and their techno­ logical application - laboratory and flight experiments on drag reduction and separation control, D. W. Bechert et al., sowie D. W. Bechert et al. The viscous flow on surfaces with longitudinal ribs" Fluid Mechanics (1989) vol. 206 pp 105- 129) sowie DE 196 50 439 C1,) bei von einem Fluid umströmten Körpern in Strömungsrichtung verlaufende Nuten bzw. Rillen vorzusehen, die für eine Beruhigung der Strömung an dem je­ weiligen Körper sorgen und somit Reibungsverluste verringern.

Dies wurde beispielsweise auch schon durch Anbringen von Nu­ ten an der Außenoberfläche von Flugzeugrümpfen realisiert.

Für in einem gasförmigen Medium rotierende Bauteile wurde dieses Mittel bislang noch nicht eingesetzt. Im Einzelfall besteht das Problem darin, daß für die Anwendung eine im we­ sentlichen laminare Strömung vorliegen muß und, daß die Strö­ mungsrichtung relativ zur Oberfläche des umströmten Gegen­ standes bekannt sein muß. Allgemein strukturierte Oberflächen an Strömungsmaschinen sind aus US 4,720,239, DE 23 58 521 C2 und DE 43 19 628 A1 bekannt.

In bezug auf diese Parameter sind die Verhältnisse innerhalb einer Gasturbine komplizierter als bei einem frei umströmten ortsfesten Körper.

Durch die Anordnung solcher Nuten bzw. Rillen auf der Ober­ fläche von Schaufeln kann einerseits durch Herabsetzung der Reibung eine höhere Energieausbeute erzielt werden, die zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades im Bereich von Prozen­ ten führt, andererseits tritt auch eine Selbstreinigungswir­ kung der Schaufeln durch die verbesserten Strömungsverhält­ nisse ein, die eine Reinigung erheblich seltener notwendig macht als bisher.

Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von Nuten oder Rillen die Rede ist, so kann dies auch bedeuten, daß Stege auf der Oberfläche einer Turbinenschaufel vorgesehen sind, zwischen denen entsprechende Nuten gebildet sind.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Nuten im Querschnitt kreissektorförmig ausgebildet sind.

Derart geformte Nuten ergeben eine besonders günstige Beein­ flussung der Strömungsverhältnisse. Es sind jedoch auch im Querschnitt dreieckförmige, rechteckige oder trapezförmige Nuten vorteilhaft denkbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Nuten aufweisenden Schaufeln im Verdichterteil der Gasturbine angeordnet sind.

In diesem Bereich ist die Schaufeloberfläche im Verhältnis zu den im Antriebsteil der Turbine angeordneten Schaufeln rela­ tiv einfach gestaltbar und bearbeitbar. Außerdem ist hier der Schmutzanteil in der anströmenden Luft besonders hoch, so daß der Selbstreinigungseffekt sich hier besonders vorteilhaft be­ merkbar macht.

Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, daß die Nuten eine Breite von weniger als 0,1 mm auf­ weisen.

Vorteilhaft kann außerdem vorgesehen sein, daß die Nuten eine Tiefe von weniger als 0,1 mm aufweisen.

In bezug auf die Viskosität, Strömungsgeschwindigkeit und Teilchengröße des eine Gasturbine durchströmenden Gases er­ scheinen die angegebenen Größenordnungen besonders günstig zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse.

Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, daß die Nuten durch Oberflächenätzung in die Oberflä­ che eingebracht sind.

Die Oberflächenätzung stellt eine Methode dar, mit der auf einfache Weise reproduzierbar Nuten bestimmter Ausrichtung und Tiefe und in der gewünschten Querschnittsform in die Oberfläche von Schaufeln einbringbar sind.

Es ist jedoch auch denkbar, durch spanende Bearbeitung bzw. gezieltes Schleifen entsprechende Nuten in die Oberfläche von Turbinenschaufeln einzubringen. Als weitere Verfahren kommen das EDM (Electron Discharge Machining), elektroerosive Ver­ fahren, Laserbearbeitung und die Bearbeitung mittels Hoch­ druckwasserstrahl in Frage.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Nuten jeweils parallel zu Abschnitten einer die Längsachse der Gasturbine umgebenden, sich vom Antriebsteil zum Verdichterteil spiralförmig erweiternde Helix verlaufen.

Eine derartige Ausrichtung der Nuten bedingt, daß durch den ringförmigen, die Welle umgebenden Strömungskanal des Ver­ dichters strömendes Gas durch den rotierenden Schaufelkranz derart hindurchströmt, daß es tangential an der Oberfläche der einzelnen Schaufeln entlang und parallel zu den Nuten strömt. Die einzelnen Nuten in den Turbinenschaufeln verlau­ fen parallel zu den Windungen einer in dem Ringkanal gedacht verlaufenden, die Rotationsachse der Turbine umgebenden Re­ lix. Die einzelnen Nuten verlaufen somit in bezug auf die Turbinenachse im wesentlichen helizoidal.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrie­ ben.

Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch in einem Längsschnitt eine Gasturbinenan­ lage,

Fig. 2 schematisch im Querschnitt verschiedene Formen von Nuten.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Gasturbinenanlage in einem Längsschnitt mit einem Gehäuse 1, in dem feststehende Leit­ schaufeln 3, 4 befestigt sind, sowie einem Rotor 2, an dem Laufschaufeln 5, 6 befestigt sind. In dem Brennkammergehäuse 7 wird der über die Brenner 14, 15 eingespritzte Brennstoff mit der Luft aus dem Verdichterteil 16 verbrannt. Als Ver­ dichterteil 16 wird dabei der Eingangsteil der Gasturbinenan­ lage bezeichnet, in dem einströmende Luft (Zeile 17, 18) vor dem Einströmen in die Brennkammer 7 komprimiert wird.

Die Expansion der Verbrennungsgase treibt die Turbine an. Mittels der Verbindungswelle 19 wird ein Generator 20 zur Er­ zeugung elektrischer Energie angetrieben.

Bei zwei Laufschaufeln 6, 21 sind schematisch beispielhaft Nuten 22, 23, 24 dargestellt, die in ihrer Projektion auf die Zeichenebene in Richtung der Pfeile 17, 18 konisch auf die Welle 19 zu verlaufen.

Der reale Verlauf der Nuten 22, 23, 24 auf den Laufschaufeln 6, 21 ist parallel zu einer die Welle 19 umgebenden und sich zu dem Generator 20 hin spiraig erweiternden Helix.

Im Bereich der Verdichterschaufeln 6, 21 sind die Nuten be­ sonders einfach in die Oberfläche einzubringen, da dort übli­ cherweise keine Beschichtung der Schaufeln mit wärmedämmenden Schichten vorgesehen ist. Jedoch ist auch das Einbringen von Nuten in eine derartige Wärmedämmschicht denkbar.

Nuten lassen sich besonders günstig durch anisotropes Ätzen in die Oberfläche der Schaufeln einbringen, wenn diese ein­ kristallin aufgebaut sind.

Im übrigen ist jedoch auch eine spanende Bearbeitung oder ein Einschleifen von Nuten in die Oberfläche der Schaufeln mög­ lich.

Fig. 2 zeigt verschiedene Nutenquerschnitte, und zwar einen kreissektorförmigen Querschnitt, einen dreieckförmigen Quer­ schnitt und einen rechteckigen Querschnitt einer Nut, wobei die Nutbreite jeweils etwa 0,02 mm und die Tiefe etwa jeweils 0,01 mm beträgt.

Claims (7)

1. Gasturbine mit mehreren Schaufelkränzen (25, 26), die je­ weils mehrere Turbinenschaufeln (3, 4, 6, 21) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß Turbinenschaufeln wenigstens eines Schaufelkranzes zur Ver­ besserung der Strömungseigenschaften an ihrer Oberfläche im wesentlichen in Richtung der Gasanströmung verlaufende Nuten (22, 23, 24) aufweisen.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (22, 23, 24) im Querschnitt kreissektorförmig ausge­ bildet sind.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (22, 23, 24) aufweisenden Turbinenschaufeln (4, 6, 2, 1) im Verdichterteil (16) der Gasturbine angeordnet sind.

4. Gasturbine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (22, 23, 24) eine Breite von weniger als 0,1 mm auf­ weisen.

5. Gasturbine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (22, 23, 24) eine Tiefe von weniger als 0,1 mm auf­ weisen.

6. Gasturbine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (22, 23, 24) durch Oberflächenätzung in die Oberflä­ che eingebracht sind.

7. Gasturbine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (22, 23, 24) jeweils parallel zu Abschnitten einer die Längsachse der Gasturbine umgebenden, sich vom Antriebs­ teil (27) zum Verdichterteil (16) spiralförmig erweiternden Helix verlaufen.