EP3420199A1 - Turbinenschaufel, zugehörige vorrichtung, strömungsmaschine und verwendung - Google Patents

Turbinenschaufel, zugehörige vorrichtung, strömungsmaschine und verwendung

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Publication number
EP3420199A1
EP3420199A1 EP17714667.7A EP17714667A EP3420199A1 EP 3420199 A1 EP3420199 A1 EP 3420199A1 EP 17714667 A EP17714667 A EP 17714667A EP 3420199 A1 EP3420199 A1 EP 3420199A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
turbine blade
turbomachine
turbine
region
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17714667.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ole Geisen
Christoph Haberland
Carl Hockley
Susanne Kamenzky
Thomas Lorenz
David Rule
Alexandr Sadovoy
Eva Scheu
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3420199A1 publication Critical patent/EP3420199A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/307—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the tip of a rotor blade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
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    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/501—Elasticity

Definitions

  • the present invention relates to a turbine blade, such as a gas or steam turbine blade or a turbine compressor blade. Furthermore, the present invention relates to a device and a turbomachine and the use of a
  • auxetic material for the turbine blade is auxetic material for the turbine blade.
  • Turbine blades are known, for example, from EP 0 991 866 B1.
  • a gap between a turbine blade, in particular the blade tip, and a surrounding ring segment is kept as small as possible during operation.
  • Large gaps have correspondingly a negative influence on the efficiency of the turbine, since a working fluid, which flows past the bucket in operation, can not do "work” and thus, for example, remains unused for power generation
  • certain gap spacings due to the thermal expansion of the blades and of the housing or ring segment for example, in the transition from a rest state to an operating state of the turbine blade and / or the turbomachine inevitable.
  • Turbine blades usually heat up much faster when starting a turbomachine than the housing.
  • the blades also expand before the housing expands due to its heating.
  • gaps in the starting phase of the turbomachine usually have the smallest dimensions.
  • the housing heats up as a result, it also expands and the gap distances inevitably become larger again.
  • the problem of large gaps between the blade tip and the ring segment has hitherto been encountered using abrasive materials, with a blade tip being able to grind into the ring segment during operation, for example.
  • a shaft of the turbomachine together with blading can be displaced until the complete heating of all relevant components to the final operating temperature along an axis of rotation of the turbomachine (in gas turbines, for example, in the direction of the combustion chamber).
  • One aspect of the present application relates to a turbine blade for a turbomachine, in particular a turbine, comprising an airfoil with a blade tip area and a sealing area.
  • the sealing region is provided in particular for sealing a path of a working fluid for the turbomachine.
  • Said path of the working fluid is expediently defined in an operating state of the turbomachine at least by the turbine blade and the housing or ring segment.
  • the path is preferably a hot gas path, for example in the case of gas turbines as turbomachines.
  • the sealing region is arranged and configured in such a way that the blade tip region changes from an idle state of the turbine blade into an operating state during the transition from an idle state of the turbine blade Turbine blade expands in a first direction perpendicular to a longitudinal axis of the airfoil.
  • the sealing region has an auxetic material.
  • the above-mentioned extent can be achieved particularly expediently or even made possible in the first place.
  • Said expansion is preferably a different extension from a normal thermal expansion along the first direction.
  • the extent, which arises due to the auxetic behavior of the auxetic material or the sealing area in the transition to the operating state according to the invention advantageously exceeds a corresponding thermal expansion along the first direction.
  • the turbine blade is preferably designed such that, in the operating state, a gap, which is preferably inherently located between the blade tip region and a stator, ring segment or housing of the turbine, is sealed as well as possible or optimally, so that advantageously approximately the entire flow of the working fluid is used - Fluids used in the operation of the turbine blade for power generation and the efficiency of the turbomachine can be improved.
  • the "longitudinal axis" of the airfoil defines a direction or axis from a blade root to the blade tip region Describes preferably a state of the turbine blade and / or the turbomachine according to a normal operation, in which the turbine blade is preferably acted upon with a hot gas or steam as the working fluid.
  • the "resting state” preferably describes a state of the turbine blade in which it is not in an operating state.
  • the sealing region is arranged and configured in such a way that the blade tip region additionally extends in a second direction, that is to say along the longitudinal axis of the blade, from the transition from the rest state into the operating state.
  • This expansion may refer to the ordinary, initially mentioned thermal expansion of the blade tip region or, preferably, of the entire blade.
  • Axial expansion (along the second direction) of the airfoil and / or the turbine blade is preferably caused by centrifugal forces and / or thermal expansion during a start-up operation or during operation.
  • the "first direction” may describe a direction along an axis of rotation of the turbomachine or a shaft thereof
  • the first and second directions preferably respectively describe axes or dimensions along which the blade tip region correspondingly expands in opposite directions of expansion Direction, for example, two exactly opposite directions perpendicular to the longitudinal axis of the blade, preferably along the axis of rotation described.
  • the sealing region comprises the blade tip region of the turbine blade.
  • the expansion can be implemented particularly expediently as described above, since the sealing region, preferably containing the auxetic material, is arranged directly on the blade tip.
  • the sealing area is separate from
  • Blade tip but is preferably arranged next to it.
  • the blade tip area can advantageously serve as a traction mass and, via the auxetic behavior of the sealing area and a force, which preferably acts in the operating state of the turbine blade along the longitudinal axis of the blade, for example a centrifugal force, particularly expediently an extension in the first direction, i. perpendicular to the longitudinal axis cause.
  • the sealing area adjoins the blade tip area.
  • the turbine blade is a blade for a gas or steam turbine or a blade for a turbine compressor unit.
  • the turbine blade is a blade for a steam turbine.
  • the sealing area and / or the auxetic material can be produced and / or produced by an additive manufacturing method.
  • Another aspect of the present invention relates to an apparatus comprising the turbine blade and a housing having projections.
  • the protrusions define a recess arranged and configured to at least partially receive the blade tip region of the turbine blade in the operating condition.
  • the blade tip region in the operating state, can be arranged at least partially in a region between the projections of the housing.
  • the blade tip region can be viewed in one direction along the fluid path. tet - overlap at least partially with the projections, without, however, that touch the blade tip region and the projections.
  • the said projections may form guide rings of the turbomachine and / or the housing thereof.
  • Vane tip region such, in particular thermo-mechanically, tuned that a path of the working fluid is sealed in the operating state of the turbomachine with a large sealing effect.
  • turbomachine comprising the apparatus wherein the turbomachine is a gas turbine or a steam turbine.
  • a further aspect of the present invention relates to the use of an auxetic material for a turbine blade for sealing a gas or vapor path during operation of the turbomachine.
  • Embodiments, features and / or advantages relating in the present case to the turbine blade, the device and / or the turbomachine may also relate to the use, or vice versa.
  • Figure 1 shows a schematic sectional or side view of a device according to the invention in a resting state.
  • Figure 2 shows a schematic sectional or side view of the device according to the invention in an operating condition.
  • Figure 3 illustrates in simplified terms the auxetic behavior of a material.
  • FIG. 1 shows a device 100 for a turbomachine (not explicitly marked) in a rest state.
  • the device 100 may be part of the turbomachine.
  • the apparatus 100 includes a turbine blade 10.
  • the turbine blade 10 is shown only partially; In particular, a blade root is not shown in the figures.
  • the turbine blade 10 is preferably a blade of a gas or steam turbine.
  • the dashed line B indicates the position of a rotation axis, preferably a shaft or for the turbomachine.
  • the turbine blade 10 comprises an airfoil 1 with a longitudinal axis A.
  • the airfoil 1 further comprises a sealing region 2.
  • the sealing region 2 comprises an auxetic material for sealing a path of a working fluid during operation or in an operating state of the turbomachine.
  • auxetic materials are characterized by a negative Poisson number or cross-contraction number (see FIG. 3). That is, auxetic materials expand, for example, when stretched in spatial directions that are transverse or perpendicular to the stretch direction.
  • the direction of stretching corresponds, for example, to the longitudinal axis A (see below), so that the described expansion direction of the auxetic material (referred to as first direction, compare reference numeral 4) is perpendicular to the longitudinal axis A and parallel to the axis B of rotation.
  • the longitudinal axis A may define a second direction 5.
  • the blade airfoil 1 further comprises a blade tip region 3.
  • the blade tip region 3 is expediently arranged at an axially outer end of the blade airfoil 1.
  • the blade tip region 3 includes a tip of the turbine blade 10.
  • the sealing region 2 is arranged axially inside or below the blade tip region 3.
  • the device 100 further comprises a housing 20.
  • the housing is preferably a stator, stator or ring segment.
  • the housing 20 also has projections 21, which are spaced apart along the first direction 4 and perpendicular to the longitudinal axis A in such a way that the blade tip region 3 is at least partially received by a recess defined by the projections 21 (not further characterized) , or viewed along a flow direction of the working fluid, at least partially in this area, protrudes.
  • the working fluid can flow along the first direction during operation of the turbomachine, that is, for example, from left to right along the axis of rotation B.
  • a gap S is characterized, which allows a rotation of the turbine blade 10 relative to the housing 20.
  • a seal of a gap between a blade tip (compare blade tip region 3) and a surrounding ring segment or housing 20 is particularly important.
  • the sealing region 2 can be arranged in the blade tip region 3 or can be designated synonymously therewith.
  • the blade tip region 3 has a distance from the projection 21 along the axis of rotation B at a distance of XI.
  • the blade tip region 3 of the turbine blade 10 can preferably extend along the first direction 4 during the transition from the idle state to an operating state (cf. FIG. 2).
  • the sealing region 2 is arranged and designed such that the blade tip region 3 expands during the transition from a rest state into an operating state of the turbine blade 10 and / or the turbomachine along the first direction 4, ie perpendicular to the longitudinal axis A of the blade 1. This is described in comparison and starting from Figure 1, in Figure 2 in more detail.
  • FIG. 2 shows the device 100 in an operating state or in a transition from the idle state to the operating state.
  • the turbine blade 10, in particular the blade 1 has expanded both in the axial direction (compare longitudinal axis A) and along the first direction 4, relative to the representation of FIG. 1, and thus the path of the working fluid or fluid
  • the gap S is optimally sealed.
  • FIG. 2 it can be seen in FIG. 2 relative to FIG. 1 that the distance between the
  • Blade tip portion 3 of the projection 21 along the axis of rotation B has decreased from the distance XI to the distance X2 ( ⁇ X1).
  • the extension of the blade tip region 3 in the axial direction, that is to say along the longitudinal axis A, is preferably a creep movement due to a thermal expansion
  • the sealing preferably takes place in such a way that the working fluid almost completely reaches a pressure side of the turbine blade 10 and the turbomachine can use the fluid approximately completely, for example for energy conversion.
  • the arrangement and configuration of the projections 21, but in particular the distances between the projections 21 relative to one another, are expediently adapted accordingly, for example with regard to the thermal expansion coefficient of the turbine blade 10 and the housing 20.
  • the blade tip region 3 only has a minimally large gap S both above the same relative to the housing 20 and laterally to the projections 21, so that movement of the turbine blade 10 relative to the housing 20 is possible ,
  • the blade tip region 3 has expanded at least along the first direction 4 due to the expansion of the sealing region 2 in this direction.
  • the extent along said first direction is due to the auxetic behavior of the auxetic material in the sealing region 2 and in particular not to a possibly also present thermal formation of the sealing region 2 along the first direction 4 (see FIG. 3).
  • the blade tip region 3 can expand together with it due to the direct connection to the sealing region 2.
  • the blade tip region 3 preferably acts as a flywheel or pulling mass for the sealing region 2, whereby an axial expansion of the sealing region 2 along the longitudinal axis is provoked, simplified or made possible.
  • an expansion along the first direction 4 due to the auxetic behavior of the sealing area is accomplished.
  • this region preferably extends directly through the auxetic behavior of the auxetic material along the first direction 4.
  • the first direction can run into the display plane in order to describe a direction perpendicular to the longitudinal axis A of the airfoil 1.
  • an axis of rotation and / or a flow direction of the working fluid in operation can run into the plane of representation of the figures.
  • the extension of the blade tip region 3 along the first direction in the transition from the quiescent state to the operating state is accomplished by means other than auxetic materials, for example parts or mechanisms known to those skilled in the art.
  • FIG. 3 indicates, in a qualitative simplification, the auxetic behavior of a material which according to the present invention is intended for the sealing region 2.
  • the auxetic behavior of the corresponding material can arise at the molecular or macro level.
  • auxetic behavior can be seen in various mineral cuts. These include, for example, molybdenum (IV) sulfide, graphite, labradorite and augite.
  • auxetic behavior can occur with appropriately cut cristobalite thins and zinc.
  • the horizontal arrows show an extension of the corresponding material in a horizontal direction

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10) für eine Strömungsmaschine, umfassend ein Schaufelblatt (1) mit einem Schaufelspitzenbereich (3) und einem Dichtbereich (2), welcher ein auxetisches Material aufweist und derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sich der Schaufelspitzenbereich (3) der Turbinenschaufel beim Übergang von einem Ruhezustand (10) in einen Betriebszustand der Turbinenschaufel (10) in einer ersten Richtung (4) senkrecht zu einer Längsachse (A) des Schaufelblatts (1) ausdehnt. Weiterhin ist die Verwendung eines auxetischen Materials für eine Turbinenschaufel (10) zum Dichten eines Gaspfades im Betrieb einer Strömungsmaschine beschrieben.

Description

Beschreibung
TURBINENSCHAUFEL, ZUGEHÖRIGE VORRICHTUNG, STRÖMUNGSMASCHINE UND VERWENDUNG Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, beispielsweise eine Laufschaufel für eine Gas- oder Dampfturbine oder eine Schaufel für eine Turbinen-Verdichtereinheit. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und eine Strömungsmaschine sowie die Verwendung eines
auxetischen Materials für die Turbinenschaufel.
Turbinenschaufeln sind beispielsweise bekannt aus EP 0 991 866 Bl. Für eine effiziente Arbeitsweise von Strömungsmaschinen ist es wichtig, dass ein Spalt zwischen einer Turbinenschaufel, insbesondere der Schaufelspitze, und einem umgebenden Ringsegment während des Betriebs möglichst klein gehalten wird. Große Spaltmaße haben entsprechend einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Turbine, da ein Arbeitsfluid, welches im Betrieb an der Schaufel vorbeiströmt, keine „Arbeit" leisten kann und somit beispielsweise zur Stromerzeugung ungenutzt bleibt. Jedoch sind gewisse Spaltsabstände aufgrund der thermischen Ausdehnung der Schaufeln und des Gehäuses oder Ringsegments beispielsweise beim Übergang von einem Ruhezustand in einen Betriebszustand der Turbinenschaufel und/oder der Strömungsmaschine unvermeidbar.
Turbinenschaufeln erwärmen sich üblicherweise beim Anfahren einer Strömungsmaschine wesentlich schneller als das Gehäuse. Somit dehnen sich die Schaufeln auch aus, bevor sich das Gehäuse aufgrund seiner Erwärmung ausdehnt. Dadurch haben Spalte in der Startphase der Strömungsmaschine normalerweise die geringsten Ausmaße. Wärmt sich daraufhin nun das Gehäuse ebenfalls auf, dehnt es sich folglich auch aus und die Spaltabstände werden zwangsläufig wieder größer. Dem Problem großer Spalte zwischen Schaufelspitze und Ringsegment begegnet man bisher mithilfe von abrasiven Materialien, wobei sich eine Schaufelspitze im Betrieb beispielsweise in das Ringsegment einschleifen kann. Alternativ kann eine Welle der Strömungsmaschine samt Beschaufelung bis zum vollständigen Erwärmen aller relevanten Komponenten auf die endgültige Betriebstemperatur entlang einer Rotationsachse der Strömungsmaschine (bei Gasturbinen beispielsweise in Richtung der Brennkammer) verschoben werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte oder alternative Lösung des beschriebenen Problems anzugeben, insbesondere ein Spaltmaß (Radialspalte) zwischen einer Turbinenschaufel und einem diese umgebenden Gehäuse im Betrieb der Strömungsmaschine durch eine effektive Dichtung so gering wie möglich zu halten.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Anmeldung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere einer Turbine, umfassend ein Schaufelblatt mit einem Schaufelspitzen- bereich und einem Dichtbereich. Der Dichtbereich ist insbesondere zum Dichten eines Pfades eines Arbeitsfluids für die Strömungsmaschine vorgesehen.
Der genannte Pfad des Arbeitsfluids wird zweckmäßigerweise in einem Betriebszustand der Strömungsmaschine zumindest von der Turbinenschaufel und dem Gehäuse oder Ringsegment definiert. Bei dem Pfad handelt es sich vorzugsweise um einen Heißgaspfad, beispielsweise im Fall von Gasturbinen als Strömungsmaschinen .
Der Dichtbereich ist derart angeordnet und ausgebildet, dass sich der Schaufelspitzenbereich beim Übergang von einem Ruhezustand der Turbinenschaufel in einen Betriebszustand der Turbinenschaufel in einer ersten Richtung senkrecht zu einer Längsachse des Schaufelblatts ausdehnt.
In einer Ausgestaltung weist der Dichtbereich ein auxetisches Material auf. Durch diese Ausgestaltung kann die oben genannte Ausdehnung besonders zweckmäßig erreicht oder überhaupt erst ermöglicht werden. Die genannte Ausdehnung ist vorzugsweise eine von einer normalen thermischen Ausdehnung entlang der ersten Richtung verschiedene Ausdehnung. Insbesondere übertrifft die Ausdehnung, welche aufgrund des auxetischen Verhaltens des auxetischen Materials bzw. des Dichtbereichs beim Übergang in den Betriebszustand erfindungsgemäß entsteht, eine entsprechende thermische Ausdehnung entlang der ersten Richtung vorteilhafterweise.
Durch die beschriebene Ausdehnung ist die Turbinenschaufel vorzugsweise derart ausgebildet, in dem Betriebszustand einen Spalt, welcher sich vorzugsweise inhärent zwischen dem Schaufelspitzenbereich und einem Stator, Ringsegment oder Gehäuse der Turbine befindet, möglichst gut oder optimal abzudichten, sodass mit Vorteil annähernd der gesamte Strom des Arbeits- fluids im Betrieb der Turbinenschaufel zur Stromerzeugung genutzt und der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessert werden kann.
Die „Längsachse" des Schaufelblatts kennzeichnet vorzugsweise eine Richtung oder Achse ausgehend von einem Schaufelfuß zu dem Schaufelspitzenbereich. Bezogen auf die Strömungsmaschine kann die Länge oder Längsachse des Schaufelblatts einen radialen Abstand, beispielsweise einen Abstand von einer Welle oder Rotationsachse der Strömungsmaschine beschreiben. Der „Betriebszustand" beschreibt vorzugsweise einen Zustand der Turbinenschaufel und/oder der Strömungsmaschine entsprechend einem bestimmungsgemäßen Betrieb, in dem die Turbinen- schaufel vorzugsweise mit einem Heißgas oder Dampf als Ar- beitsfluid beaufschlagt wird.
Der „Ruhezustand" beschreibt vorzugsweise einen Zustand der Turbinenschaufel, in welchem sich diese nicht in einem Betriebszustand befindet.
In einer Ausgestaltung ist der Dichtbereich derart angeordnet und ausgebildet, dass sich der Schaufelspitzenbereich vom Übergang von dem Ruhezustand in den Betriebszustand zusätzlich in einer zweiten Richtung, das heißt entlang der Längsachse des Schaufelblatts, ausdehnt. Diese Ausdehnung kann die gewöhnliche, eingangs erwähnte thermische Ausdehnung des Schaufelspitzenbereichs oder zweckmäßigerweise des gesamten Schaufelblatts bezeichnen. Eine Axialdehnung (entlang der zweiten Richtung) des Schaufelblatts und/oder der Turbinenschaufel wird vorzugsweise durch Zentrifugalkräfte und/oder thermische Ausdehnung während eines Anfahrvorgangs oder während des Betriebs hervorgerufen.
Die „erste Richtung" kann eine Richtung entlang einer Rotationsachse der Strömungsmaschine oder einer Welle derselben, beschreiben . Die erste und zweite Richtung beschreiben vorzugsweise jeweils Achsen oder Dimensionen, entlang derer sich der Schaufelspitzenbereich in entgegengesetzten Ausdehnungsrichtungen entsprechend ausdehnt. Mit anderen Worten sind mit der ersten Richtung beispielsweise zwei genau entgegengesetzte Richtun- gen senkrecht zu der Längsachse des Schaufelblatts bezeichnet, vorzugsweise entlang der beschriebenen Rotationsachse.
In einer Ausgestaltung umfasst der Dichtbereich den Schaufelspitzenbereich der Turbinenschaufel. Gemäß dieser Ausgestal - tung kann die Ausdehnung wie oben beschrieben besonders zweckmäßig umgesetzt werden, da der Dichtbereich - vorzugsweise das auxetische Material enthaltend - direkt an der Schaufelspitze angeordnet ist. In einer Ausgestaltung ist der Dichtbereich separat vom
Schaufelspitzenbereich der Turbinenschaufel angeordnet. Mit anderen Worten bildet der Dichtbereich nicht direkt die
Schaufelspitze, ist aber vorzugsweise daneben angeordnet.
Gemäß dieser Ausgestaltung kann der Schaufelspitzenbereich mit Vorteil als Zugmasse dienen und über das auxetische Verhalten des Dichtbereichs und eine Kraft, welche vorzugsweise im Betriebszustand der Turbinenschaufel entlang der Längsachse des Schaufelblatts wirkt, beispielsweise eine Zentrifugalkraft, besonders zweckmäßig eine Ausdehnung in der ersten Richtung, d.h. senkrecht zu der Längsachse, bewirken. In einer Ausgestaltung grenzt der Dichtbereich an den Schaufelspitzenbereich an.
In einer Ausgestaltung ist die Turbinenschaufel eine Laufschaufel für eine Gas- oder Dampfturbine oder eine Schaufel für eine Turbinen-Verdichtereinheit.
In einer Ausgestaltung ist die Turbinenschaufel eine Schaufel für eine Dampfturbine. In einer Ausgestaltung sind der Dichtbereich und/oder das auxetische Material durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt und/oder herstellbar.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung, umfassend die Turbinenschaufel und ein Gehäuse, welches Vorsprünge aufweist. Die Vorsprünge definieren eine Aussparung, die angeordnet und ausgebildet ist, den Schaufelspitzenbereich der Turbinenschaufel in dem Betriebszustand zumindest teilweise aufzunehmen. Mit anderen Worten kann der Schaufelspitzenbereich in dem Betriebszustand zumindest teilweise in einen Bereich zwischen den Vorsprüngen des Gehäuses angeordnet sein. Anders ausgedrückt kann der Schaufelspitzenbereich - in einer Richtung entlang des Fluidpfades betrach- tet - zumindest teilweise mit den Vorsprüngen überlappen, ohne, dass sich jedoch der Schaufelspitzenbereich und die Vorsprünge berühren. Die genannten Vorsprünge können Leitringe der Strömungsmaschine und/oder des Gehäuses derselben bilden.
In einer Ausgestaltung sind die Aussparung und/oder der
Schaufelspitzenbereich derart, insbesondere thermomechanisch, abgestimmt, dass ein Pfad des Arbeitsfluids in dem Betriebszustand der Strömungsmaschine mit einer großen Dichtwirkung abgedichtet wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, umfassend die Vorrichtung wobei die Strömungsmaschine eine Gasturbine oder eine Dampfturbine ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines auxetischen Materials für eine Turbinen- schaufei zum Dichten eines Gas- oder Dampfpfades im Betrieb der Strömungsmaschine.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Turbinenschaufel, die Vorrichtung und/oder die Strömungsmaschine beziehen, können ferner die Verwendung betreffen, oder umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Ruhezustand . Figur 2 zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Betriebszustand . Figur 3 illustriert vereinfacht das auxetische Verhalten eines Materials.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 100 für eine Strömungsmaschine (nicht explizit gekennzeichnet) in einem Ruhezustand. Die Vorrichtung 100 kann Teil der Strömungsmaschine sein. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 ist nur teilweise dargestellt; insbesondere ist ein Schaufelfuß in den Figuren nicht dargestellt. Die Turbinenschaufel 10 ist vorzugsweise eine Schaufel einer Gasoder Dampfturbine.
Durch die gestrichelte Linie B ist die Lage einer Rotationsachse, vorzugsweise eine Welle der oder für die Strömungsma- schine angedeutet.
Die Turbinenschaufel 10 umfasst ein Schaufelblatt 1 mit einer Längsachse A. Das Schaufelblatt 1 umfasst weiterhin einen Dichtbereich 2.
Der Dichtbereich 2 umfasst ein auxetisches Material zum Dichten eines Pfades eines Arbeitsfluids im Betrieb bzw. in einem Betriebszustand der Strömungsmaschine. Auxetische Materialien sind durch eine negative Poissonzahl oder Querkontraktions- zahl gekennzeichnet (vergleiche Figur 3) . Das heißt, dass sich auxetische Materialien, beispielsweise bei einer Streckung in Raumrichtungen ausdehnen, die quer oder senkrecht zur Streckrichtung verlaufen. Die Streckrichtung entspricht im vorliegenden Fall beispielsweise der Längsachse A (vgl. weiter unten), so dass die beschriebene Ausdehnungsrichtung des auxetischen Materials (nachfolgend erste Richtung genannt; vergleiche Bezugszeichen 4) senkrecht zu der Längsachse A und parallel zu der Rotati - onsachse B verläuft.
Die Längsachse A kann eine zweite Richtung 5 definieren. Das Schaufelblatt 1 umfasst weiterhin einen Schaufelspitzenbereich 3. Der Schaufelspitzenbereich 3 ist zweckmäßigerweise an einem axial äußeren Ende des Schaufelblatts 1 angeordnet. Mit anderen Worten umfasst der Schaufelspitzenbereich 3 eine Spitze der Turbinenschaufel 10.
In Figur 1 ist der Dichtbereich 2 axial innerhalb bzw. unterhalb des Schaufelspitzenbereichs 3 angeordnet. Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin ein Gehäuse 20. Das Gehäuse ist vorzugsweise ein Stator, Stator- oder Ringsegment. Das Gehäuse 20 weist weiterhin Vorsprünge 21 auf, welche entlang der ersten Richtung 4 und senkrecht zur Längsachse A voneinander beabstandet sind und zwar derart, dass der Schau- felspitzenbereich 3 zumindest teilweise von einer durch die Vorsprünge 21 definierten Ausnehmung (nicht weiter gekennzeichnet) aufgenommen ist, oder entlang einer Strömungsrichtung des Arbeitsfluids betrachtet, zumindest teilweise in diesen Bereich, hineinragt.
Das Arbeitsfluid kann vorliegend im Betrieb der Strömungsmaschine entlang der ersten Richtung, also beispielsweise von links nach rechts entlang der Rotationsachse B, strömen. Zwischen dem Schaufelspitzenbereich 3 und dem Gehäuse 20 bzw. zwischen dem Schaufelspitzenbereich 3 und den Vorsprüngen 21 ist ein Spalt S gekennzeichnet, welcher eine Rotation der Turbinenschaufel 10 relativ zum Gehäuse 20 ermöglicht. Durch die Vorsprünge 21 kann dieser Spalt insbesondere gegen die Strömung des Arbeitsfluid, beispielsweise ein Heißgas oder
Wasserdampf, mit welchem die Turbinenschaufel 10 im Betriebszustand (vergleiche Figur 2) beaufschlagt wird, abgedichtet werden. Für einen effizienten Betrieb einer Strömungsmaschine ist insbesondere eine Dichtung eines Spalts zwischen einer Schaufelspitze (vergleiche Schaufelspitzenbereich 3) und einem umgebenden Ringsegment oder Gehäuse 20 besonders wichtig. Anders als in Figur 1 dargestellt, kann der Dichtbereich 2 in dem Schaufelspitzenbereich 3 angeordnet sein oder synonym mit diesem bezeichnet sein. In Figur 1 ist angedeutet, dass der Schaufelspitzenbereich 3 von dem Vorsprung 21 entlang der Rotationsachse B einen Abstand von XI hat .
Durch die Ausgestaltung des Dichtbereichs 2 mit dem auxe- tischen Material kann sich der Schaufelspitzenbereich 3 der Turbinenschaufel 10 beim Übergang von dem Ruhezustand in einen Betriebszustand (vergleiche Figur 2) vorzugsweise entlang der ersten Richtung 4 ausdehnen. Insbesondere ist der Dichtbereich 2 derart angeordnet und ausgebildet, dass sich der Schaufelspitzenbereich 3 beim Übergang von einem Ruhezustand in einen Betriebszustand der Turbinenschaufel 10 und/oder der Strömungsmaschine entlang der ersten Richtung 4, also senkrecht zu der Längsachse A des Schaufelblatts 1, ausdehnt. Dies ist im Vergleich und ausgehend von Figur 1, in Figur 2 näher beschrieben.
Figur 2 zeigt die Vorrichtung 100 in einem Betriebszustand oder in einem Übergang von dem Ruhezustand in den Betriebszustand. Es ist insbesondere zu erkennen, dass sich die Turbi- nenschaufel 10, insbesondere das Schaufelblatt 1 relativ zu der Darstellung der Figur 1 sowohl in axialer Richtung (vergleiche Längsachse A) als auch entlang der ersten Richtung 4 ausgedehnt hat und somit den Pfad des Arbeitsfluid bzw. den Spalt S optimal abgedichtet. Insbesondere ist in Figur 2 re- lativ zu Figur 1 zu erkennen, dass sich der Abstand des
Schaufelspitzenbereichs 3 von dem Vorsprung 21 entlang der Rotationsachse B von dem Abstand XI auf den Abstand X2 (<X1) verkleinert hat . Die Ausdehnung des Schaufelspitzenbereichs 3 in axialer Richtung, das heißt entlang der Längsachse A ist vorzugsweise durch eine thermische Ausdehnung, eine Kriechbewegung
und/oder eine Zentrifugalkraft, welche im Betriebszustand auf die Turbinenschaufel 10, insbesondere auf den Schaufelspitzenbereich 3 wirkt, zurückzuführen. Eine entsprechende Kraft ist mit dem Bezugszeichen F in Figur 2 angedeutet. Die Dichtung erfolgt vorzugsweise derart, dass das Arbeits- fluid annähernd vollständig eine Druckseite der Turbinenschaufel 10 erreicht und die Strömungsmaschine das Fluid entsprechend annähernd vollständig, beispielsweise zur Energiewandlung, nutzen kann. Dazu sind die Anordnung und Ausgestal - tung der Vorsprünge 21, insbesondere jedoch die Abstände der Vorsprünge 21 zueinander, zweckmäßigerweise entsprechend abgestimmt, beispielsweise bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Turbinenschaufel 10 und des Gehäuses 20.
Insbesondere ist in Figur 2 zu erkennen, dass der Schaufel - Spitzenbereich 3 sowohl oberhalb desselben zum Gehäuse 20 als auch seitlich zu den Vorsprüngen 21 nur noch einen minimal großen Spalt S aufweist, sodass eine Bewegung der Turbinen- schaufei 10 relativ zum Gehäuse 20 möglich ist.
Insbesondere hat sich - im Vergleich zur Figur 1 - der Schaufelspitzenbereich 3 zumindest entlang der ersten Richtung 4 aufgrund der Ausdehnung des Dichtbereichs 2 in dieser Rich- tung ausgedehnt. Die Ausdehnung entlang der genannten ersten Richtung, ist wie oben angedeutet, auf das auxetische Verhalten des auxetischen Materials im Dichtbereich 2 zurückzuführen und insbesondere nicht auf eine möglicherweise ebenfalls vorhandene thermische Ausbildung des Dichtbereichs 2 entlang der ersten Richtung 4 (vergleiche Figur 3) . Insbesondere kann sich der Schaufelspitzenbereich 3 aufgrund der direkten An- bindung an den Dichtbereich 2 mit diesem zusammen ausdehnen.
Gemäß der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungs- form, fungiert der Schaufelspitzenbereich 3 vorzugsweise als Schwung- oder Zugmasse für den Dichtbereich 2, wodurch eine axiale Ausdehnung des Dichtbereichs 2 entlang der Längsachse provoziert, vereinfacht oder ermöglicht wird. Durch die axia- le Ausdehnung wird erfindungsgemäß auch eine Ausdehnung entlang der ersten Richtung 4 aufgrund des auxetischen Verhaltens des Dichtbereichs bewerkstelligt. Gemäß einer ebenfalls erfindungsgemäßen Ausgestaltung, in der - anders als in den Figuren dargestellt - der Schaufelspitzenbereich durch den Dichtbereich gebildet ist, dehnt sich dieser Bereich vorzugsweise direkt durch das auxetische Verhalten des auxetischen Materials entlang der ersten Richtung 4 aus.
Alternativ zu den Darstellungen und Beschreibungen der Figuren 1 und 2 kann die erste Richtung in die Darstellungsebene hinein verlaufen, um eine Richtung senkrecht zur der Längs- achse A des Schaufelblatts 1 zu beschreiben. Ebenso kann eine Rotationsachse und/oder eine Strömungsrichtung des Arbeits- fluids im Betrieb in die Darstellungsebene der Figuren hinein, verlaufen. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Ausdehnung des Schaufelspitzenbereichs 3 entlang der ersten Richtung beim Übergang von dem Ruhezustand in den Betriebszustand durch andere Mittel als auxetische Materialien bewerkstelligt, beispielsweise durch dem Fachmann bekannten zueinander beweglichen oder verschiebbaren Teile oder entsprechenden Mechaniken.
Die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können weiterhin in Kombination mit den eingangs erwähnten Lösungen des Standes der Technik, d.h. einer Axialverschiebung einer Rotoreinheit der Strömungsmaschine und der Verwendung von abrasiven Materialien, ausgeführt werden, um das beschriebene Problem zu lösen. Figur 3 deutet in einer qualitativen Vereinfachung das auxetische Verhalten eines Materials an, welches gemäß der vorliegenden Erfindung für den Dichtbereich 2 vorgesehen ist. Das auxetische Verhalten des entsprechenden Materials kann auf Molekül- oder Makroebene entstehen. Auxetisches Verhalten ist beispielsweise bei verschiedenen Mineralschnitten zu sehen. Dazu gehören beispielsweise Molybdän (IV) -sulfid, Gra- phit, Labradorit und Augit. Ebenso kann sich auxetisches Verhalten bei entsprechend geschnittenen Cristobalitdünnschlif- fen und Zink zeigen.
Insbesondere ist in Figur 3 durch die horizontalen Pfeile ei- ne Streckung des entsprechenden Materials in horizontaler
Richtung angedeutet, welche aufgrund des auxetischen Verhaltens - hier angedeutet durch die gestreckten Felder des Materials - eine Ausdehnung ebenfalls in vertikaler Richtung (vergleiche gestrichelten Pfeile) bewirkt. Im Gegensatz dazu würde ein normales Material (ohne auxetisches Verhalten) auf eine Streckung in horizontaler Richtung mit einer Stauchung oder Verkürzung in einer Richtung senkrecht zur Streckrichtung reagieren. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombi - nation selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (10) für eine Strömungsmaschine, umfassend ein Schaufelblatt (1) mit einem Schaufelspitzenbereich (3) und einem Dichtbereich (2), wobei der Dichtbereich (2) ein auxetisches Material aufweist und derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sich der Schaufelspitzenbereich (3) beim Übergang von einem Ruhezustand der Turbinenschaufel (10) in einen Betriebszustand der Turbinenschaufel (10) in einer ersten Richtung (4) senkrecht zu einer Längsachse (A) des Schaufelblatts (1) ausdehnt.
2. Turbinenschaufel (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Dichtbereich (2) den Schaufelspitzenbereich (3) der Turbinenschaufel (10) umfasst.
3. Turbinenschaufel (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Dichtbereich (2) separat vom Schaufelspitzenbereich (3) der Turbinenschaufel (10) angeordnet ist.
4. Turbinenschaufel (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dichtbereich (2) an den Schaufelspitzenbereich (3) angrenzt.
5. Turbinenschaufel (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Laufschaufel für eine Gas- oder Dampfturbine oder eine Schaufel für eine Turbinen-Verdichtereinheit ist.
6. Vorrichtung (100) für eine Strömungsmaschine, umfassend eine Turbinenschaufel (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Gehäuse (20) , welches die Turbinenschaufel (10) umschließt, wobei das Gehäuse (20) weiterhin Vorsprünge aufweist (21) , welche eine Aussparung definieren, die ange- ordnet und ausgebildet ist, den Schaufelspitzenbereich (3) der Turbinenschaufel (10) in dem Betriebszustand zumindest teilweise aufzunehmen.
7. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, wobei die Aussparung und/oder der Schaufelspitzenbereich derart, insbesondere thermomechanisch, abgestimmt sind, dass ein Pfad eines
Arbeitsfluids für die Strömungsmaschine in dem Betriebszustand mit einer großen Dichtwirkung abgedichtet wird.
8. Strömungsmaschine, umfassend die Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Strömungsmaschine eine Gasturbine oder eine Dampfturbine ist.
9. Verwendung eines auxetischen Materials für eine Turbinenschaufel (10) zum Dichten eines Pfades eines Arbeitsfluides im Betrieb einer Strömungsmaschine.
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