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.