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.