WO2010006591A2 - Gasturbine und verfahren zum ändern der aerodynamischen gestalt einer gasturbinenschaufel - Google Patents

Gasturbine und verfahren zum ändern der aerodynamischen gestalt einer gasturbinenschaufel Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with guide and blades in the compressor and turbine nenabites.
  • Gas turbines are used in particular as flight drives and have at least one rotor and at least one stator, both in the compressor and in the turbine area.
  • the rotor blades associated with the rotor rotate with respect to the stationary housing and the likewise stationary vanes.
  • Gas turbines in particular aircraft gas turbines, are exposed to different environmental conditions and flow conditions, which they undergo during operation. These different conditions make it desirable to temporarily change the geometric shape of the blades.
  • Various forms of so-called adaptive blades have already been considered.
  • One of these options is that wires of shape memory alloys are used on or in a blade to change the shape of the profile. These wires are electrically heated until the abrupt phase change, which is specific to shape memory alloys, occurs. Due to the changing shape of the wires (expansion or contraction), the blade shape is changed.
  • the object of the invention is to provide a gas turbine, wherein the aerodynamic shape change of the blades can be done in a simplified manner.
  • the gas turbine according to the invention has guide vanes and rotor blades in the compressor and turbine section. At least some of the blades have a shape memory alloy coating. At least one optional hot air conducting channel terminates on one or more coated blades such that the hot air causes a phase change of the alloy such that the blade changes its aerodynamic shape.
  • the shape memory material is applied by alloying a blade on this, so that there is a simple and optimal connection between the blade and its coating.
  • the activation of the shape memory material is not carried out electrically, but via hot air which is normally available anyway in gas turbines and which is transported via at least one hot air duct to the shape memory material.
  • the amount of energy carried by the hot air must be sufficient to cause the phase change.
  • a certain amount of hot air could constantly be led to the coated blade and then transported an additional amount of hot air energy only for the phase change.
  • hot air is fed to the coated blade or vanes only when the phase change is to be induced.
  • Another advantage of the invention is that the so-called pumps can be prevented by the injection of air, in particular in a compressor, which can preferably occur in the partial load range (off-design state). With the supply of hot air is thus optionally also a dual function met, namely the improved compressor stabilization and the blade shape change. Moreover, since no phase change electrical energy is necessary, the coated blades can be metal.
  • the blades are coated on the outside with the shape memory alloy.
  • the blade could be coated on the inside, namely by being made hollow inside.
  • the coated blades are compressor blades, where naturally the temperature is not yet as high as in the turbine area, whereby strong temperature differences can be generated between the H necessarilytionszucht- and the hot air interruption.
  • the channel or channels originate from a downstream compressor stage and carry hot air upstream from that compressor stage.
  • the channel or channels may terminate at the housing and from there direct the hot air in the direction of blades and / or open into the interior of the coated blade and blow hot air into it. This hot air can then be conducted, for example, via openings to the outer side of the blade, where the coating of the shape memory alloy is abruptly heated.
  • the coated blades are vanes and / or blades.
  • the blade which is coated with the shape memory alloy, consists of metal.
  • hot compressor air is used as hot air.
  • Figure 1 is a longitudinal sectional view through a gas turbine according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal sectional view through the compressor region of the gas turbine according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a gas turbine with an inlet diffuser 10, a compressor 12, a Combustion chamber 14, a turbine 16 and a thruster 18 are shown, which are all in a housing 20.
  • a gas turbine with an inlet diffuser 10, a compressor 12, a Combustion chamber 14, a turbine 16 and a thruster 18 are shown, which are all in a housing 20.
  • several of the numerous blades 22 as part of the rotor and vanes 24 are shown as part of the stator in the compressor or turbine section.
  • FIG. 2 it can be seen that the illustrated compressor 12 is designed in multiple stages and in axial design. Good to see that the vanes 24 are connected to the housing 20 and the blades 22 with the rotor 26th
  • the housing 20 Immediately upstream of the so-called blade tip 28 of a blade ring, the housing 20 has a plurality of circumferentially uniformly distributed injection openings 30 for hot gas.
  • the injection ports 30 are the end of one or more passages 32 which direct hot air from a downstream compressor stage to the upstream via one or more outlet ports 34. With the arrow 36, the hot gases are symbolized.
  • the channels 32 may also open into hollow blades 22 or 24.
  • Corresponding cavities in the interior of a guide vane 24 bear the reference numeral 38 and are shown with broken lines.
  • shut-off valves 40 may be arranged to release or interrupt the hot gas flow.
  • the position of these shut-off elements 40 is not limited to the position indicated in FIG.
  • Some or all of the guide vanes and rotor blades 22, 24 of one or more stages are at least partially provided with a coating 42 on the outside.
  • this coating 42 is provided in the region of the upstream side of the respective blades 22, 24.
  • the shape memory alloys are also referred to as memory alloy components or materials. Such materials change their structural phases when temperatures exceed or fall below characteristic temperature values.
  • Suitable materials are for example nickel-titanium alloys, copper-zinc-aluminum alloys or copper-aluminum-nickel alloys in question. Of course, this is Counting not final.
  • the coating 42 is applied in the manufacture of the blades 22, 24, so that no prefabricated part made of a shape memory alloy must be attached separately.
  • the material of which the blades 22, 24 are made is preferably a metal alloy.
  • the illustrated gas turbine does not have a variable baffle due to the following characteristics, which simplifies its construction and manufacture.
  • the outside coating 42 of a shape memory alloy can optionally undergo a phase change during operation of the gas turbine, which is achieved by targeted heating by means of the hot air 36. From a certain operating state, it may be desirable to change the aerodynamic shape of individual blades 22 or 24. To accomplish this, hot air is conveyed from the downstream compressor stages to upstream compressor stages via the ducts or channels 32, either via the housing 20 and corresponding injection ports 30, or via the hollow interior of blades 22, 24, the cavities 38 preferably on the outside (FIG. especially on the upstream outer side) of the corresponding blade 22, 24.
  • the hot air impinging on the coating 42 causes a phase change, so that the thin alloy layer contracts or expands. Since the layer is applied over the entire surface of the blade 22, 24, the blade 22, 24 is bent in the desired direction or, more generally, an elastic deformation of the blade 22, 24, which is naturally reversible, takes place.
  • the gas turbine compressor flow is additionally stabilized, which is particularly important for the partial load range.
  • the blown-in air shifts the surge limit as far as possible to low throughputs.

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Abstract

Ein Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel (22, 24) einer Gasturbine sieht vor, diese mit einer Beschichtung (42) aus einer Formgedächtnis-Legierung zu versehen. Über Kanäle (32) wird Heißluft (36) zur beschichteten Schaufel (22, 24) transportiert, um eine Phasenänderung der Beschichtung (42) und eine aerodynamische Gestaltänderung der Schaufel (22, 24) herbeizuführen.

Description

Gasturbine und Verfahren zum Ändern der aerodynamischen Gestalt einer Gasturbinen- schaufel
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit Leit- und Laufschaufeln im Verdichter- und Turbi- nenabschnitt.
Gasturbinen werden insbesondere als Flugantriebe verwendet und weisen zumindest einen Rotor und mindestens einen Stator auf, und zwar sowohl im Verdichter- als auch im Turbinenbereich. Die dem Rotor zugeordneten Laufschaufeln rotieren gegenüber dem feststehenden Gehäuse und den ebenfalls feststehenden Leitschaufeln.
Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, sind unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Strömungsbedingungen ausgesetzt, die sie im Betrieb durchlaufen. Diese unterschiedlichen Bedingungen machen es wünschenswert, die geometrische Gestalt der Schaufeln temporär zu ändern. Es sind bereits verschiedene Formen von sogenannten adaptiven Schaufeln angedacht worden. Eine dieser Optionen besteht darin, daß Drähte aus Formgedächtnis- Legierungen an oder in einer Schaufel zur Formänderung des Profiles benutzt werden. Diese Drähte werden elektrisch erwärmt, bis es zu der bei Formgedächtnis-Legierungen spezifischen abrupten Phasenänderung kommt. Durch die sich dadurch ändernde Form der Drähte (Ausdehnen oder Zusammenziehen) wird die Schaufelform geändert.
Diese Methode zur Änderung der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel ist jedoch mit sehr hohem elektrischem Energieaufwand verbunden, da die benötigten Energiemengen (insbesondere die Stromstärken) sehr groß sein müssen und natürlich extern bereitzustellen sind. Darüber hinaus müssen die Drähte auch zueinander isoliert sein, das heißt zur Reduzierung des Aufwands werden diese Drähte bislang nur bei nicht-metallischen Schaufeln oder deren Abschnitten eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine bereitzustellen, bei der die aerodynamische Gestaltänderung der Schaufeln in vereinfachter Weise erfolgen kann. Darüber hinaus soll ein möglicht kostengünstig realisierbares Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel einer Gasturbine während deren Betriebs angegeben werden. Die erfindungsgemäße Gasturbine hat Leit- und Laufschaufeln im Verdichter- und Turbinenabschnitt. Zumindest einige der Schaufeln weisen eine Beschichtung aus einer Formgedächtnis-Legierung auf. Zumindest ein wahlweise Heißluft führender Kanal endet so an einer oder mehreren beschichteten Schaufeln, daß die Heißluft eine Phasenänderung der Legierung hervorruft, so daß die Schaufel ihre aerodynamische Gestalt ändert.
Bei der erfindungsgemäßen Gasturbine wird das Formgedächtnismaterial durch Legieren einer Schaufel auf diese aufgebracht, so daß sich eine einfache und optimale Verbindung zwischen Schaufel und ihrer Beschichtung ergibt. Die Aktivierung des Formgedächtnis-Materials erfolgt nicht elektrisch, sondern über üblicherweise sowieso bei Gasturbinen zur Verfügung stehende Heißluft, die über zumindest einen Heißluftkanal zum Formgedächtnis-Material transportiert wird. Die durch die Heißluft transportierte Energiemenge muß ausreichend sein, um die Phasenänderung hervorzurufen. Natürlich könnte ständig eine gewisse Heißluftmenge zur beschichteten Schaufel geführt und nur für die Phasenänderung dann eine zusätzliche Heißluftenergiemenge herantransportiert werden. Alternativ hierzu wird nur dann Heißluft zur beschichteten Schaufel bzw. den beschichteten Schaufeln geführt, wenn die Phasenänderung herbeigeführt werden soll. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch das Einblasen von Luft, insbesondere bei einem Verdichter, das sogenannte Pumpen verhindert werden kann, welches vorzugsweise im Teillastbereich (Off-Design-Zustand) auftreten kann. Mit der Zufuhr der Heißluft wird damit optional auch eine Doppelfunktion erfüllt, nämlich die verbesserte Verdichterstabilisierung als auch die Schaufelgestaltänderung. Darüber hinaus können, da keine elektrische Energie zur Phasenänderung notwendig ist, die beschichteten Schaufeln aus Metall sein.
Vorzugsweise sind die Schaufeln außenseitig mit der Formgedächtnis-Legierung beschichtet. Optional könnte natürlich auch die Schaufel innenseitig beschichtet sein, nämlich indem sie innen hohl ausgeführt ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die beschichteten Schaufeln Verdichterschaufeln, bei denen naturgemäß die Temperatur noch nicht so hoch wie im Turbinenbereich ist, wodurch zwischen der Heißluftzufuhr- und der Heißluftunterbrechung starke Temperaturunterschiede generiert werden können.
Der Kanal oder die Kanäle gehen insbesondere von einer stromabwärtigen Verdichterstufe aus und führen Heißluft aus dieser Verdichterstufe stromaufwärts. Der Kanal oder die Kanäle können am Gehäuse enden und von dort aus die Heißluft in Richtung Schaufeln leiten und/oder in das Innere der beschichteten Schaufel münden und Heißluft in diese einblasen. Diese Heißluft kann dann beispielsweise über Öffnungen zur Schaufelaußenseite geführt werden, wo die Beschichtung aus der Formgedächtnislegierung abrupt er- wärmt wird.
Gemäß einer Ausführungsform sind die beschichteten Schaufeln Leitschaufeln oder/und Laufschaufeln.
Durch die Erfindung ist es auch möglich, eine Gasturbine vorzusehen, die ohne variables Leitgitter auskommt.
Darüber hinaus ist erfϊndungsgemäß vorgesehen, daß die Schaufel, welche mit der Formgedächtnis-Legierung beschichtet ist, aus Metall besteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel einer Gasturbine ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
a) Vorsehen einer Beschichtung aus einer Formgedächtnis-Legierung an der Schaufel, und
b) wahlweises Zuführen von Heißluft zur beschichteten Schaufel zum Hervorrufen der Phasenänderung der Beschichtung.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird als Heißluft heiße Verdichterluft verwendet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.
In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Gasturbine, und
Figur 2 eine schematische Längsschnittansicht durch den Verdichterbereich der Gasturbine nach Figur 1.
In Figur 1 ist eine Gasturbine mit einem Einlaufdiffusor 10, einem Verdichter 12, einer Brennkammer 14, einer Turbine 16 und einer Schubdüse 18 dargestellt, die alle in einem Gehäuse 20 liegen. Nur beispielhaft sind einige der zahlreichen Laufschaufeln 22 als Teil des Rotors und Leitschaufeln 24 als Teil des Stators im Verdichter- oder Turbinenabschnitt dargestellt.
Figur 2 ist zu entnehmen, daß der dargestellte Verdichter 12 mehrstufig und in axialer Bauart ausgeführt ist. Gut zu sehen ist, daß die Leitschaufeln 24 mit dem Gehäuse 20 verbunden sind und die Laufschaufeln 22 mit dem Rotor 26.
Unmittelbar stromaufwärts der sogenannten Schaufelspitze 28 eines Laufschaufelkranzes hat das Gehäuse 20 mehrere am Umfang gleichmäßig verteilte Einblasöffnungen 30 für Heißgas. Die Einblasöffnungen 30 sind das Ende eines oder mehrerer Kanäle 32, welche Heißluft aus einer stromabwärtigen Verdichterstufe über eine oder mehrere Auslaßöffnungen 34 nach stromaufwärts führen. Mit dem Pfeil 36 sind die Heißgase symbolisiert.
Alternativ oder zusätzlich können die Kanäle 32 auch in hohle Schaufeln 22 oder 24 münden. Entsprechende Hohlräume im Inneren einer Leitschaufel 24 tragen das Bezugszeichen 38 und sind mit unterbrochenen Linien dargestellt.
Optional können in den Kanälen 36 auch Absperrorgane 40 angeordnet sein, die den Heißgasstrom freigeben oder unterbrechen. Die Lage dieser Absperrorgane 40 ist nicht auf die in Figur 2 angegebene Position beschränkt.
Einige oder alle der Leit- und Laufschaufeln 22, 24 einer oder mehrerer Stufen sind zumindest abschnittsweise außenseitig mit einer Beschichtung 42 versehen.
Vorzugsweise ist diese Beschichtung 42 im Bereich der stromaufwärts gewandten Seite der entsprechenden Schaufeln 22, 24 vorgesehen.
Die Formgedächtnis-Legierungen werden auch als Memory-Legierungsbauteile oder -Werkstoffe bezeichnet. Solche Werkstoffe wechseln ihre Gefügephasen bei einer Über- oder Unterschreitung charakteristischer Temperaturwerte.
Als Werkstoffe kommen beispielsweise Nickel-Titan-Legierungen, Kupfer-Zink- Aluminium- Legierungen oder Kupfer-Aluminium-Nickel-Legierungen in Frage. Natürlich ist diese Auf- Zählung nicht abschließend. Die Beschichtung 42 wird bei der Herstellung der Schaufeln 22, 24 aufgebracht, so daß kein vorgefertigtes Teil aus einer Formgedächtnis-Legierung separat angebracht werden muß. Das Material, aus dem die Schaufeln 22, 24 bestehen, ist vorzugsweise eine Metall-Legierung.
Die dargestellte Gasturbine besitzt aufgrund der nachfolgenden Eigenschaften kein variables Leitgitter, was sie in ihrem Aufbau und in ihrer Herstellung vereinfacht.
Die außenseitige Beschichtung 42 aus einer Formgedächtnis-Legierung kann wahlweise im Betrieb der Gasturbine eine Phasenänderung durchlaufen, die durch gezielte Erwärmung mittels der Heißluft 36 erreicht wird. Ab einem bestimmten Betriebszustand kann es wün- sehenswert werden, die aerodynamische Gestalt einzelner Schaufeln 22 oder 24 zu verändern. Um dies zu erreichen, wird über den oder die Kanäle 32 Heißluft aus stromabwärtigen Verdichterstufen in stromaufwärtige Verdichterstufen gefördert, entweder über das Gehäuse 20 und entsprechende Einblasöffhungen 30, oder über das hohle Innere von Schaufeln 22, 24, deren Hohlräume 38 vorzugsweise auf der Außenseite (insbesondere auf der stromauf- wärtigen Außenseite) der entsprechenden Schaufel 22, 24 enden. Die auf die Beschichtung 42 treffende Heißluft führt zu einer Phasenänderung, so daß sich die dünne Legierungsschicht zusammenzieht oder ausdehnt. Da die Schicht vollflächig auf der Schaufel 22, 24 aufgebracht wird, wird die Schaufel 22, 24 in die gewünschte Richtung gebogen oder, allgemeiner, eine elastische Deformation der Schaufel 22, 24, die natürlich reversibel ist, erfolgt.
Aufgrund der einströmenden Verdichterluft wird zusätzlich die Gasturbinenverdichterströ- mung stabilisiert, was insbesondere für den Teillastbereich wichtig ist. Durch die eingeblasene Luft wird die Pumpgrenze möglichst weit zu niedrigen Durchsätzen verschoben.
Die Kombination der beiden verdichterstabilisierenden Effekte, nämlich die Einblasung und die Adaption der Schaufelgeometrie, ermöglicht eine überdurchschnittliche Erweiterung des stabilen Arbeitsbereichs eines Verdichters.

Claims

Ansprüche
1. Gasturbine, mit Leit- und Laufschaufeln (24, 22) im Verdichter- und Turbinenabschnitt (12, 16), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Schaufeln (22, 24) eine Be- schichtung (42) aus einer Formgedächtnis-Legierung aufweisen und zumindest ein, wahlweise Heißluft (36) führender Kanal (32) so an einer oder mehreren beschichteten
Schaufeln (22, 24) endet, daß die Heißluft (36) eine Phasenänderung der Legierung hervorruft, welche die Schaufeln (22, 24) in ihrer aerodynamischen Gestalt ändert.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (22, 24) au- ßenseitig mit der Formgedächtnis-Legierung beschichtet sind.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Schaufeln (22, 24) Verdichterschaufehl sind.
4. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (32) von einer stromabwärtigen Verdichterstufe ausgeht und Heißluft (36) aus dieser stromabwärtigen Verdichterstufe stromaufwärts führt.
5. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (32) am Gehäuse (20) endet.
6. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (32) in das Innere einer beschichteten Schaufel (22, 24) mündet und Heißluft (36) in diese eingeblasen wird.
7. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Schaufeln (22, 24) Leitschaufeln (24) und/oder Laufschaufeln sind.
8. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß keine variablen Leitgitter vorgesehen sind.
9. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Schaufeln (22, 24) aus einer Metallegierung bestehen.
10. Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel (22, 24) einer Gasturbine, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Vorsehen einer BeSchichtung (42) aus einer Formgedächtnis-Legierung an der Schaufel (22, 24), und b) wahlweises Zufuhren von Heißluft (36) zum Hervorrufen der Phasenänderung der Beschichtung (42).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißluft (36) heiße Verdichterluft: ist.
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