EP3015715A1 - Leitschaufelkranz für eine strömungsmaschine und strömungsmaschine - Google Patents

Leitschaufelkranz für eine strömungsmaschine und strömungsmaschine Download PDF

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EP3015715A1
EP3015715A1 EP15180686.6A EP15180686A EP3015715A1 EP 3015715 A1 EP3015715 A1 EP 3015715A1 EP 15180686 A EP15180686 A EP 15180686A EP 3015715 A1 EP3015715 A1 EP 3015715A1
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EP
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inner ring
ring
guide vane
turbomachine
degrees celsius
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Withdrawn
Application number
EP15180686.6A
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Joachim Wulf
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Definitions

  • the present invention relates to a vane ring for a turbomachine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention relates to a turbomachine according to claim 9.
  • Guide vane rings for turbomachinery are exposed to strong temperature fluctuations during operation. For example, when starting an aircraft engine temporarily high temperature gradients are formed in the inner rings of Leitschaufelkränzen, which can lead to deformation. These deformations, which regress again during the further operation of the engine after the starting process, can form influences on secondary flows such as, for example, leakage flows between inner rings on guide vanes and rotors. These influences reduce the overall efficiency of the engine.
  • An object of the present invention is to propose a vane ring for a turbomachine, which reduces the leakage flow between a rotor section and an inner ring. It is another object of the present invention to provide a turbomachine with a guide vane ring according to the invention.
  • the object of the invention is achieved by a vane ring with the features of claim 1. It is further achieved by a turbomachine with the features of claim 9.
  • a vane ring for a turbomachine in particular for a compressor, which comprises a plurality of rotatable vanes and an inner ring.
  • the inner ring has a seal for sealing a radial gap between the inner ring and an opposite rotor portion.
  • the inner ring comprises at least two inner ring segments.
  • the inner ring is made of a material or comprises a material having a thermal expansion coefficient ⁇ of less than 6 * 10 -6 per Kelvin in a temperature range between at least 20 degrees Celsius (° C) and 90 degrees Celsius (° C).
  • the lower and upper temperature values may vary depending on the application of the guide vane ring according to the invention. For example, aircraft engines may have different temperature values in different operating states.
  • the upper temperature value may be slightly or significantly greater than 90 ° C, for example 150 ° C, 300 ° C, 500 ° C, 800 ° C or another value.
  • the lower temperature value may be, for example, less than 20 ° C, for example, 0 ° C, -10 ° C, -20 ° C, or another value, for example, depending on the location of an aircraft with an aircraft engine having a vane ring according to the invention.
  • the thermal expansion coefficient ⁇ may be referred to as a thermal expansion coefficient.
  • the thermal expansion coefficient ⁇ of the material of the inner ring may be smaller than 6 ⁇ 10 -6 / K, for example, the coefficient of thermal expansion ⁇ may be 5 ⁇ 10 -6 / K, 2 ⁇ 10 -6 / K, 1.7 ⁇ 10 -6 / K, 1.2 * 10 -6 / K, 0.55 * 10 -6 / K or any other value.
  • An inner ring with these values of the coefficient of thermal expansion ⁇ can advantageously have a length extension reduced by about 60% to 65% compared to commonly used stainless iron-nickel-chromium alloys (the proportions in percent by weight of these alloys are given below in the overall discussion of the advantages) have significantly higher values of the thermal expansion coefficient ⁇ (for example a thermal expansion coefficient ⁇ of 15 * 10 -6 / K, 20 * 10 -6 / K, 25 * 10 -6 / K or 30 * 10 -6 / K) It can advantageously be achieved that, in particular, the end regions in the circumferential direction of inner ring segments deform less strongly than inner ring segments made of the usually used stainless iron-nickel-chromium alloys create inner end of the vane ring and thus leakage flows can be reduced in this area.
  • the guide vane ring according to the invention may have adjustable guide vanes and / or inlet seals.
  • inlet seals By means of these inlet seals, sealing gaps between the inlet seals and sealing fins on radially opposite rotors can be stamped out or cut in at a first-time start-up.
  • the sealing gaps in which leakage currents usually form during operation of the turbomachine can be reduced or minimized in this manner.
  • Inventive exemplary embodiments may have one or more of the following features.
  • turbomachines may in particular be an axial flow machine.
  • the gas turbine may in particular be an axial gas turbine, for example an aircraft gas turbine.
  • the material of the inner ring has a thermal conductivity ⁇ greater than 10 watts per meter and per Kelvin (10 W / (m * K)) at a temperature between 20 ° C and 25 ° C, in particular at 23 ° C, on.
  • the thermal conductivity ⁇ may, for example, be 13 W / (m * K), 15 W / (m * K), 30 W / (m * K), 50 W / (m * K) or another value.
  • the inner ring comprises at least two divided on the circumference of the inner ring inner ring segments.
  • the ring segments can each have a circumferential angle of 180 degrees (180 °) as so-called half-rings.
  • the ring segments may also have other circumferential angles, for example 120 ° and 240 °.
  • the inner ring may have more than two ring segments, for example, three ring segments each with 120 ° circumferential angle, four ring segments each with 90 ° circumferential angle or other values.
  • the material of the inner ring is a nickel alloyed steel.
  • the nickel content of the material may comprise at least 25 weight percent.
  • the material of the inner ring has an iron content of at least 50 weight percent.
  • the material of the inner ring has a cobalt content of at least 10% by weight.
  • the material of the inner ring has an iron content of between 62 and 66 percent by weight, in particular 64 percent by weight, and a nickel content of between 34 and 38 percent by weight, in particular 36 percent by weight.
  • the material of the inner ring has an iron content of between 52 and 56% by weight, in particular 54% by weight, a nickel content between 27% and 31% by weight, in particular 29% by weight, and a cobalt content between 15% and 19%, in particular 17% by weight.
  • Some or all embodiments according to the invention may have one, several or all of the advantages mentioned above and / or below.
  • the thermal deformation can be significantly reduced (see above).
  • the Einrieb of sealing tips of the rotor can be reduced in inlet seals of the inner ring, especially in temporary (transient) operating conditions such as when starting an aircraft engine.
  • This reduced Einrieb can advantageously lead to a permanent reduction of leakage currents between the inner ring and the rotor.
  • Fig. 1 shows a guide vane ring 1 according to the invention with a rotatable vane 3, an inner ring 5 and a rotor section 7.
  • the vane 3 is rotatably arranged in the inner ring 5 by means of an inner pin 9.
  • the inner ring 5 comprises divided in the circumferential direction U inner ring segments eleventh
  • the rotor section 7 is connected to a rotor blade 13. To the rotor section 7, a further, upstream rotor section 15 is flanged.
  • the inner ring segments 11 are connected at their radially inner end with seals, in particular with inlet seals 17. Between the inlet seals 17 and sealing tips or sealing fins 19, which are in particular integrally connected to the rotor section 7, a leakage flow 21 can form during operation of the turbomachine. As a rule, the leakage flow 2 (depending on the pressure conditions downstream and upstream of the guide blade ring 1) runs counter to the main flow direction 23 of the turbomachine.
  • the rotor sections 7 and 15, the sealing fins 19, the inner ring segments 11, the blades 13 and the vane ring 1 are often exposed to high temperature fluctuations between about 20 ° C and 500 ° C. Both the lower temperature range and the upper temperature range may shift further depending on the application and operating conditions. Depending on the materials or materials used, the components mentioned can expand, bend or change their shape in other ways. In particular, the thermal expansion of the inner ring segments 11 can influence the gap width between the inlet seals 17 and the sealing fins 19 and thus change the leakage flow 21.
  • the inner ring 5 can in the axial direction a and / or in the radial direction r and / or in the circumferential direction u (in Fig. 1 as inner ring segments 11) be divided or segmented.
  • the inner ring 5 is often designed in the form of two half-ring segments, each of which can have a handling angle of 180 degrees.
  • the inner ring 5 may also be in be segmented differently in other embodiments, for example, in three segments, each with 120 degrees circumferential angle, in four segments, each with 90 degrees, etc.
  • a radial temperature gradient in the inner ring segments 11 may temporarily build up, in particular when starting the engine.
  • the inner ring segments 11 then have radially outward (at the outer radius) a higher temperature than radially inward (at the inner radius). Due to this temperature gradient, the ends of the inner ring segments 11, viewed in the circumferential direction, can bend temporarily (during the starting process of the engine) radially inward. Due to this temporary bending of the inner ring 5, an increased abrasion of the sealing fines 19 into the inlet seals 17 can result.
  • the temperature gradient of the inner ring segments 11 in the radial direction r can reduce again and the deformation regress, for example approximately to the initial state.
  • the gap formed by the temporary deformation between the sealing fins 19 and the inlet seal 17, however, remains or exist after the regression of the inner ring 5. This gap may cause or generate an increased, possibly permanent, leakage flow 21. The efficiency of the engine can thus be permanently reduced.
  • the described effect of the temporary deformation of the inner ring 5 due to temperature gradients may be referred to as a so-called “cording effect” or as “cording”.
  • the "Cording effect” is a thermal effect, especially in inner rings 5, which can lead to a three-dimensional deformation of the inner ring segments 11 at the dividing planes (in the circumferential direction u). These deformations can lead to a stronger inlet of sealing fins 19 in the inlet seals 17, whereby the sealing gaps and leaks can increase. Larger leaks can reduce the efficiency.
  • the inlet increased penetration of the sealing fines 19 into the inlet seals 17
  • Possible leakage losses due to increased leakage flows 21 can advantageously be at least reduced.
  • Fig. 2 shows an inner ring segment 11 with a parting plane 25 in a perspective view.
  • the inner pin 9 of the adjustable blades 3 are used.
  • Fig. 3 schematically shows a greatly simplified gas turbine 29 as an embodiment of a turbomachine according to the invention with a guide vane ring 1 according to the invention, arranged for example in the high-pressure compressor section of the gas turbine 29.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz (1) für eine Strömungsmaschine, mit einer Vielzahl von verdrehbaren Leitschaufeln (3), und mit einem Innenring (5), wobei der Innenring (5) eine Dichtung (17) zum Abdichten eines Radialspaltes zwischen dem Innenring (5) und einem gegenüberliegenden Rotorabschnitt (7) aufweist, und wobei der Innenring (5) wenigstens zwei Innenringsegmente (11) umfasst. Der Innenring (5) ist aus einem Material hergestellt oder weist ein Material auf, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ± von kleiner als 6 * 10-6 pro Kelvin in einem Temperaturbereich zwischen wenigstens 20 Grad Celsius und 90 Grad Celsius aufweist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmaschine mit zumindest einem erfindungsgemäßen Leitschaufelkranz (1).

Description

  • Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. CSJU-GAM-SAGE-2008-001 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union (FP7/2007-2013) für Clean Sky Joint Technology Initiative gefördert.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für eine Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 9.
  • Leitschaufelkränze fur Strömungsmaschinen sind im Betrieb starken Temperaturschwankungen ausgesetzt. Beispielsweise beim Start eines Flugtriebwerks bilden sich temporär hohe Temperaturgradienten in den Innenringen von Leitschaufelkränzen aus, die zu Verformungen führen können. Diese Verformungen, die sich im weiteren Betrieb des Triebwerks nach dem Startvorgang wieder zurückbilden, können Einflüsse auf Sekundärströmungen wie beispielsweise Leckageströmungen zwischen Innenringen an Leitschaufeln und Rotoren ausbilden. Diese Einflüsse verringern den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leitschaufelkranz für eine Strömungsmaschine vorzuschlagen, der die Leckageströmung zwischen einem Rotorabschnitt und einem Innenring verringert. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine mit einem erfindungsgemaßen Leitschaufelkranz vorzuschlagen.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Leitschaufelkranz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird ferner durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird somit ein Leitschaufelkranz für eine Strömungsmaschine, insbesondere für einen Verdichter, vorgeschlagen, der eine Vielzahl von verdrehbaren Leitschaufeln und einen Innenring umfasst. Der Innenring weist eine Dichtung zum Abdichten eines Radialspaltes zwischen dem Innenring und einem gegenüberliegenden Rotorabschnitt auf. Der Innenring umfasst wenigstens zwei Innenringsegmente.
  • Der Innenring ist aus einem Material hergestellt oder weist ein Material auf, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von kleiner als 6 * 10-6 pro Kelvin in einem Temperaturbereich zwischen wenigstens 20 Grad Celsius (°C) und 90 Grad Celsius (°C) aufweist. Der untere und obere Temperaturwert kann, je nach Anwendung des erfindungsgemaßen Leitschaufelkranzes, variieren. Beispielsweise können Flugtriebwerke in unterschiedlichen Betriebszuständen unterschiedliche Temperaturwerte aufweisen. Der obere Temperaturwert kann geringfügig oder deutlich größer als 90 °C sein, beispielsweise 150 °C, 300 °C, 500 °C, 800 °C oder ein anderer Wert. Der untere Temperaturwert kann, beispielsweise je nach dem Standort eines Flugzeugs mit einem Flugtriebwerk, das einen erfindungsgemaßen Leitschaufelkranz aufweist, kleiner als 20 °C sein, beispielsweise 0 °C, -10 °C, -20 °C oder ein anderer Wert.
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient α kann als thermischer Längenausdehnungskoeffizient bezeichnet werden. Der Wert und die Einheit des thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α von 6 * 10-6 pro Kelvin kann als 6 * 10-6 / K oder als 6 ppm / K dargestellt werden (ppm = parts per million).
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient α des Materials des Innenrings kann kleiner als 6 * 10-6 / K sein, beispielsweise kann der Wärmeausdehnungskoeffizient α einen Wert von 5 * 10-6 / K, 2 * 10-6 / K, 1,7 * 10-6 / K, 1,2 * 10-6 / K, 0,55 * 10-6 / K oder einen anderen Wert aufweisen. Ein Innenring mit diesen Werten des Wärmeausdehnungskoeffizient α kann vorteilhaft eine um ca. 60 % bis 65 % reduzierte Längenausdehnung gegenüber üblicherweise verwendeten nichtrostenden Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen (die Anteile in Gewichtsprozent dieser Legierungen werden weiter unter bei der Gesamtdiskussion der Vorteile angegeben) mit deutlich höheren Werten des Wärmeausdehnungskoeffizienten α (beispielsweise ein Wärmeausdehnungskoeffizient α von 15 * 10-6 / K, 20 * 10-6 / K, 25 * 10-6 / K oder 30 * 10-6 / K aufweisen. Mittels dieser reduzierten Längenausdehnung kann vorteilhaft erreicht werden, dass sich insbesondere die Endbereiche in Umfangsrichtung von Innenringsegmenten weniger stark verformen gegenüber Innenringsegmenten aus den üblicherweise verwendeten nichtrostenden Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen. Diese geringere Verformung der Innenringsegmente kann zur Folge haben, dass Dichtfins weniger starke Einschneidungen in Einlaufdichtungen am radial inneren Ende des Leitschaufelkranzes erzeugen und somit Leckageströmungen in diesem Bereich reduziert werden können.
  • Der erfindungsgemäße Leitschaufelkranz kann verstellbare Leitschaufeln und/ oder Einlaufdichtungen aufweisen. Mittels dieser Einlaufdichtungen können bei einer erstmaligen Inbetriebnahme Dichtspalte zwischen den Einlaufdichtungen und Dichtfins auf radial gegenüberliegenden Rotoren ausgeprägt bzw. eingeschnitten werden. Die Dichtspalte, in denen im Betrieb der Strömungsmaschine sich in der Regel Leckageströmungen ausbilden, können auf diese Art und Weise reduziert oder minimiert werden.
  • Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
  • Erfindungsgemäße beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale aufweisen.
  • Im Folgenden werden als Strömungsmaschinen rein beispielhaft insbesondere Gasturbinen beschrieben, ohne jedoch Strömungsmaschinen auf Gasturbinen beschränken zu wollen. Die Strömungsmaschine kann insbesondere eine axiale Strömungsmaschine sein. Die Gasturbine kann insbesondere eine axiale Gasturbine, beispielsweise eine Fluggasturbine, sein.
  • In bestimmten erfindungsgemaßen Ausführungsformen weist das Material des Innenrings eine Wärmeleitfähigkeit λ von größer als 10 Watt pro Meter und pro Kelvin (10 W/(m*K)) bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 25 °C, insbesondere bei 23 °C, auf. Die Wärmeleitfähigkeit λ kann beispielsweise 13 W/(m*K), 15 W/(m*K), 30 W/(m*K), 50 W/(m*K) oder einen anderen Wert aufweisen. Mittels eines hohen Wärmeleitfähigkeitswertes λ kann die Wärme aus den Innenringsegmenten vorteilhaft schnell weitergeleitet oder abgeleitet werden und somit eine lokale Verformung des Materials vermieden werden. Dadurch kann beispielsweise die Ausbildung eines großen Dichtspalts zwischen einem Dichtfin und einer Einlaufdichtung verringert oder vermieden werden, und eine Leckageströmung vorteilhaft zu minimieren.
  • In gewissen erfindungsgemaßen Ausführungsformen umfasst der Innenring wenigstens zwei auf dem Umfang des Innenring geteilte Innenringsegmente. Die Ringsegmente können jeweils einen Umfangswinkel von 180 Grad (180°) als sogenannte Halbringe aufweisen. Die Ringsegmente können auch andere Umfangswinkel aufweisen, beispielsweise 120° und 240°. Der Innenring kann mehr als zwei Ringsegmente aufweisen, beispielsweise drei Ringsegmente mit jeweils 120° Umfangswinkel, vier Ringsegmente mit jeweils 90° Umfangswinkel oder andere Werte.
  • In einigen erfindungsgemaßen Ausführungsformen ist das Material des Innenrings ein nickellegierter Stahl. Der Nickelanteil des Materials kann wenigstens 25 Gewichtsprozent umfassen.
  • In manchen erfindungsgemaßen Ausführungsformen weist das Material des Innenrings einen Eisenanteil von wenigstens 50 Gewichtsprozent auf.
  • In bestimmten erfindungsgemaßen Ausführungsformen weist das Material des Innenrings einen Kobaltanteil von wenigstens 10 Gewichtsprozent auf.
  • In einigen erfindungsgemaßen Ausführungsformen weist das Material des Innenrings einen Eisenanteil zwischen 62 Gewichtsprozent und 66 Gewichtsprozent, insbesondere 64 Gewichtsprozent, und einen Nickelanteil zwischen 34 Gewichtsprozent und 38 Gewichtsprozent, insbesondere 36 Gewichtsprozent auf.
  • In manchen erfindungsgemaßen Ausführungsformen weist das Material des Innenrings einen Eisenanteil zwischen 52 Gewichtsprozent und 56 Gewichtsprozent, insbesondere 54 Gewichtsprozent, einen Nickelanteil zwischen 27 Gewichtsprozent und 31 Gewichtsprozent, insbesondere 29 Gewichtsprozent, und einen Kobaltanteil zwischen 15 Gewichtsprozent und 19 Gewichtsprozent, insbesondere 17 Gewichtsprozent auf.
  • Manche oder alle erfindungsgemaßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.
  • Mittels eines erfindungsgemaßen Innenrings, ausgeführt insbesondere als Innenring eines Verdichters, das aus einem Material mit einem Eisenanteil von ca. 54 Gewichtsprozent und mit einem Nickelanteil von ca. 36 Gewichtsprozent hergestellt ist, kann in einem Temperaturbereich zwischen 20 °C und 500 °C eine um ca. 60 % bis 65 % reduzierte Längenausdehnung gegenüber einem der folgenden Materialien vorteilhaft erreicht werden (die Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozente):
    1. 1) nichtrostender Stahl (Eisen-Nickel-Chrom-Legierung) mit den folgenden Anteilen in Gewichtsprozent: Kohlenstoff (C) 0,03 bis 0,08 %, Silizium (Si) weniger oder gleich 1 %, Mangan (Mn) 1 bis 2 %, Phosphor (P) weniger oder gleich 0,025 %, Schwefel (S) weniger oder gleich 0,015 %, Chrom 13,5 bis 16 %, Molybdän (Mo) 1 bis 1,5 %, Nickel (Ni) 24 bis 27 %, Vanadium (V) 0,1 bis 0,5 %, Titan (Ti) 1,9 bis 2,3 %, Bor (B) 0,003 bis 0,01 %, Aluminium (Al) weniger als 0,35 %, restlicher Anteil: Eisen (Fe).
    2. 2) nichtrostender Stahl (Eisen-Nickel-Chrom-Legierung) mit den folgenden Anteilen in Gewichtsprozent: Kohlenstoff (C) weniger als 0,08 %, Silizium (Si) weniger als 0,35 %, Mangan (Mn) weniger als 0,35 %, Phosphor (P) weniger als 0,015 %, Aluminium (Al) 0,2 bis 0,8 %, Bor (B) weniger als 0,6 %, Kobalt (Co) weniger als 1 %, Chrom 17 bis 21 %, Kupfer (Cu) weniger als 0,3 %, Molybdän (Mo) 2,8 bis 3,3 %, Niob (Nb) 4,75 bis 5,5 %, Nickel (Ni) 50 bis 55 %, Titan (Ti) 0,65 bis 1,15 %, restlicher Anteil: Eisen (Fe).
  • Mittels eines erfindungsgemaßen Innenrings kann die thermische Verformung erheblich reduziert werden (siehe oben). Damit kann der Einrieb von Dichtspitzen des Rotors in Einlaufdichtungen des Innenrings reduziert werden, insbesondere in temporären (transienten) Betriebszuständen wie beispielsweise bei einem Start eines Flugtriebwerks. Dieser reduzierte Einrieb kann vorteilhaft zu einer dauerhaften Reduzierung von Leckageströmen zwischen dem Innenring und dem Rotor führen.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den jeweils schematisch vereinfachten Figuren gilt:
    • Fig. 1
    zeigt einen erfindungsgemaßen Leitschaufelkranz mit einer verdrehbaren Leitschaufel, einem Innenring und einen Rotorabschnitt;
    Fig. 2
    zeigt ein Innenringsegment in perspektivischer Darstellung; und
    Fig. 3
    zeigt schematisch stark vereinfacht eine Gasturbine mit einem erfindungsgemaßen Leitschaufelkranz.
  • Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemaßen Leitschaufelkranz 1 mit einer verdrehbaren Leitschaufel 3, einem Innenring 5 und einem Rotorabschnitt 7. Die Leitschaufel 3 ist mittels eines Innenzapfens 9 drehbar in dem Innenring 5 angeordnet. Der Innenring 5 umfasst in Umfangsrichtung u geteilte Innenringsegmente 11.
  • Der Rotorabschnitt 7 ist mit einer Laufschaufel 13 verbunden. An den Rotorabschnitt 7 ist ein weiterer, stromaufwärtiger Rotorabschnitt 15 angeflanscht.
  • Die Innenringsegmente 11 sind an ihrem radial inneren Ende mit Dichtungen, insbesondere mit Einlaufdichtungen 17, verbunden. Zwischen den Einlaufdichtungen 17 und Dichtspitzen oder Dichtfins 19, die insbesondere integral mit dem Rotorabschnitt 7 verbunden sind, kann sich im Betrieb der Strömungsmaschine eine Leckageströmung 21 ausbilden. Die Leckageströmung 2 verläuft in der Regel (abhängig von den Druckverhältnissen stromab und stromauf des Leitschaufelkranzes 1) entgegen der Hauptströmungsrichtung 23 der Strömungsmaschine.
  • In Strömungsmaschinen, insbesondere in Verdichtern von Flugtriebwerken, sind die Rotorabschnitte 7 und 15, die Dichtfins 19, die Innenringsegmente 11, die Laufschaufeln 13 sowie der Leitschaufelkranz 1 oft hohen Temperaturschwankungen etwa zwischen 20° C und 500° C ausgesetzt. Sowohl der untere Temperaturbereich als auch der obere Temperaturbereich können sich je nach Einsatzfall und Betriebsbedingungen noch weiter verschieben. Je nach eingesetzten Materialien bzw. Werkstoffen können sich die genannten Bauteile ausdehnen, krümmen oder in anderer Art und Weise ihre Form verändern. Insbesondere die thermische Längenausdehnung der Innenringsegmente 11 können die Spaltbreite zwischen den Einlaufdichtungen 17 und den Dichtfins 19 beeinflussen und somit die Leckageströmung 21 verändern.
  • Der Innenring 5 kann in Axialrichtung a und/ oder in Radialrichtung r und/ oder in Umfangsrichtung u (in Fig. 1 als Innenringssegmente 11) geteilt oder segmentiert sein. Aus Montagegründen ist der Innenring 5 oft in Form zweier Halbringsegmente ausgeführt, die jeweils einen Umgangswinkel von 180 Grad aufweisen können. Der Innenring 5 kann ebenso in anderen Ausführungsformen anders segmentiert sein, beispielsweise in drei Segmente mit jeweils 120 Grad Umfangswinkel, in vier Segmente mit jeweils 90 Grad usw.
  • In einer möglichen Ausführungsform einer Strömungsmaschine als Flugtriebwerk kann sich insbesondere beim Start des Triebwerks temporär ein radialer Temperaturgradient in den Innenringsegmenten 11 aufbauen. Die Innenringsegmente 11 weisen dann radial außen (am Außenradius) eine höhere Temperatur auf als radial innen (am Innenradius). Aufgrund dieses Temperaturgradienten können sich die Enden der Innenringsegmente 11, in Umfangsrichtung betrachtet, temporär (wahrend des Startvorgangs des Triebwerks) nach radial innen verbiegen. Aufgrund dieser temporären Verbiegung des Innenring 5 kann sich ein erhöhter Einrieb der Dichtfins 19 in die Einlaufdichtungen 17 ergeben. Nach einer vollständigen Durchwärmung des Innenrings 5 (nach dem Startvorgang des Triebwerks) kann sich der Temperaturgradient der Innenringsegmente 11 in radialer Richtung r wieder reduzieren und die Verformung wieder zurückbilden, beispielsweise annähernd in den Ausgangszustand. Der durch die temporäre Verformung gebildete Spalt zwischen den Dichtfins 19 und der Einlaufdichtung 17 bleibt nach der Rückbildung des Innenrings 5 jedoch erhalten oder bestehen. Dieser Spalt kann eine erhöhte, möglicherweise dauerhafte, Leckageströmung 21 bewirken oder erzeugen. Der Wirkungsgrad des Triebwerks kann sich dadurch dauerhaft reduzieren.
  • Der beschriebene Effekt der temporären Verformung des Innenrings 5 aufgrund von Temperaturgradienten kann als sogenannter "Cording Effekt" oder als "Cording" bezeichnet werden. Der "Cording Effekt" ist ein thermischer Effekt vor allem bei Innenringen 5, der zu einer dreidimensionalen Verformung der Innenringsegmente 11 an den Teilungsebenen (in Umfangsrichtung u) führen kann. Diese Verformungen können zu einem stärkeren Einlauf von Dichtfins 19 in die Einlaufdichtungen 17 führen, wodurch sich die Dichtungsspalte und Leckagen vergrößern können. Größere Leckagen können den Wirkungsgrad reduzieren.
  • Mittels des erfindungsgemaßen Leitschaufelkranzes 1 mit den in den Ansprüchen genannten Materialeigenschaften kann der Einlauf (erhöhter Einrieb der Dichtfins 19 in die Einlaufdichtungen 17) an den Innenringen 5 vorteilhaft reduziert werden. Mögliche Leckageverluste durch erhöhte Leckageströmungen 21 können vorteilhaft zumindest reduziert werden.
  • Fig. 2 zeigt ein Innenringsegment 11 mit einer Trennebene 25 in perspektivischer Darstellung. In die Vertiefungen 27 auf der radial äußeren Seite des Innenringsegments 11 werden die Innenzapfen 9 der verstellbaren Laufschaufeln 3 eingesetzt.
  • Fig. 3 zeigt schematisch stark vereinfacht eine Gasturbine 29 als Ausführungsform einer erfindungsgemaßen Strömungsmaschine mit einem erfindungsgemaßen Leitschaufelkranz 1, angeordnet beispielsweise im Hochdruckverdichterabschnitt der Gasturbine 29.
    • Bezugszeichenliste
    • a
    axial; Axialrichtung
    r
    radial; Radialrichtung
    u
    Umfangsrichtung
    1
    Leitschaufelkranz
    3
    Leitschaufel
    5
    Innenring
    7
    Rotorabschnitt
    9
    Innenzapfen
    11
    Innenringsegment
    13
    Laufschaufel
    15
    sttromaufwärtiger Rotorabschnitt
    17
    Dichtung; Einlaufdichtung
    19
    Dichtfin
    21
    Leckageströmung
    23
    Hauptströmungsrichtung
    25
    Trennebene des Innenringssegments
    27
    Vertiefungen im Innenringsegment
    29
    Gasturbine

Claims (10)

  1. Leitschaufelkranz (1) fur eine Strömungsmaschine, mit einer Vielzahl von verdrehbaren Leitschaufeln (3), und mit einem Innenring (5), wobei der Innenring (5) eine Dichtung (17) zum Abdichten eines Radialspaltes zwischen dem Innenring (5) und einem gegenüberliegenden Rotorabschnitt (7) aufweist, und wobei der Innenring (5) wenigstens zwei Innenringsegmente (11) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Innenring (5) aus einem Material hergestellt ist oder ein Material aufweist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von kleiner als 6 * 10-6 pro Kelvin in einem Temperaturbereich zwischen wenigstens 20 Grad Celsius und 90 Grad Celsius aufweist.
  2. Leitschaufelkranz (1) nach Anspruch 1, wobei das Material des Innenrings (5) eine Wärmeleitfähigkeit λ von größer als 10 Watt pro Meter und pro Kelvin bei einer Temperatur zwischen 20 Grad Celsius und 25 Grad Celsius aufweist.
  3. Leitschaufelkranz (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Innenring (5) wenigstens zwei auf dem Umfang des Innenrings (5) geteilte Innenringsegmente (11) umfasst.
  4. Leitschaufelkranz (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Material des Innenrings (5) ein nickellegierter Stahl ist.
  5. Leitschaufelkranz (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Material des Innenrings (5) einen Nickelanteil von wenigstens 25 Gewichtsprozent umfasst.
  6. Leitschaufelkranz (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Material des Innenrings (5) einen Eisenanteil von wenigstens 50 Gewichtsprozent umfasst.
  7. Leitschaufelkranz (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Material des Innenrings (5) einen Kobaltanteil von wenigstens 10 Gewichtsprozent umfasst.
  8. Leitschaufelkranz (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Material des Innenrings (5) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von kleiner als 6 * 10-6 pro Kelvin in einem Temperaturbereich zwischen wenigstens 20 Grad Celsius und 500 Grad Celsius aufweist.
  9. Strömungsmaschine mit zumindest einem Leitschaufelkranz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Strömungsmaschine nach Anspruch 9, wobei die Strömungsmaschine ein Verdichter, insbesondere ein axialer Hochdruckverdichter, ist.
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