DE10060740A1

DE10060740A1 - Vorrichtung zur Spaltmasseinstellung für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE10060740A1
Application number: DE10060740A
Authority: DE
Inventors: Herbert Brandl; Armin Busekros; Peter Marx; Ulrich Rathmann; Ulrich Wellenkamp
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2002-06-13
Also published as: US6672831B2; US20020071763A1; GB0128795D0; GB2371093B; GB2371093A

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Spaltmaßeinstellung für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine mit einer Vielzahl von in wenigstens einer Laufschaufelreihe einer Rotoranordnung angeordneten Laufschaufeln, einem die Rotoranordnung umgebenden Laufschaufelträger sowie ein den Leitschaufelträger umgebendes Turbinengehäuse, einer Vielzahl an dem Leitschaufelträger der Rotoranordnung sowie zumindest den Laufschaufelspitzen gegenüberliegend angeordneten Wärmestausegmenten, die zusammen mit den Laufschaufelspitzen einen Spalt einschließen sowie mit wenigstens einem Antriebsmittel, das das Turbinengehäuse sowie den Leitschaufelträger radial durchragt und mit wenigstens einem Wärmestausegment in kinematischer Wirkverbindung steht und das bei Betätigung eine radiale Beabstandung des Wärmestausegmentes bewirkt. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Wärmestausegment in Strömungsrichtung der Strömungsmaschine eine der Rotoranordnung zugewandte konische Kontur aufweist und parallel zur Strömungsrichtung verschiebbar angeordnet ist, dass das Antriebsmittel unmittelbar oder über eine Exzentereinheit mit dem Wärmestausegment derart verbunden ist, dass bei Betätigung des Antriebsmittels das Wärmestausegment verschoben wird, wodurch eine radiale Beabstandung zwischen Wärmestausegment und Laufschaufelspitzen einstellbar ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Spaltmasseinstellung für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine mit einer Vielzahl von in wenigstens einer Laufschaufelreihe einer Rotoranordnung angeordneten Laufschaufeln, einem die Rotoranordnung umgebenden Leitschaufelträger sowie ein den Leitschaufelträger umgebendes Turbinengehäuse, mit einer Vielzahl an dem Leitschaufelträger der Rotoranordnung sowie zumindest den Laufschaufelspitzen gegenüberliegend angeordneten Wärmestausegmenten, die zusammen mit den Laufschaufelspitzen einen Spalt einschließen sowie mit wenigstens einem Antriebsmittel, das das Turbinengehäuse sowie den Leitschaufelträger radial durchragt und mit wenigstens einem Wärmestausegment in kinematischer Wirkverbindung steht und das bei Betätigung eine radiale Beabstandung des Wärmestausegmentes bewirkt.

Stand der Technik

Strömungsmaschinen im vorstehenden Sinne dienen in erster Linie entweder der gezielten Kompression von Gasen, wie es bei Verdichterstufen, sogenannten Kompressoren in Turboanlagen der Fall ist, als auch der kontrollierten Expansion, hochverdichteter und schnellströmender Medien zum Antrieb von Gasturbinen, die in an sich bekannter Weise zur Energiegewinnung eingesetzt werden. Um die Energiegewinnung mit Gasturbinenanlagen so effizient wie möglich zu gestalten, ist es ein erklärtes Ziel von Optimierungsbestrebungen den Wirkungsgrad derartiger Strömungsmaschinen zu steigern. Verlustmechanismen, die sowohl bei der Verdichtung der zu komprimierenden Arbeitsmedien als auch beim Antrieb von Turbinen auftreten, wird mit einer Reihe von technischen Maßnahmen versucht entgegenzutreten.

In diesem Zusammenhang gilt es insbesondere die sich bei thermischen Turbomaschinen zwischen den rotierenden und den stationären Anlagenkomponenten ausbildenden radialen Spalte so klein wie möglich zu halten, um die durch diese Spalte hindurchtretenden Verlustströme so klein wie möglich zu halten, die zwar kleine aber dennoch vorhandene Teilmassenströme des durch die Strömungsmaschine hindurchtretenden Arbeitsmediums darstellen, ohne dabei an der gewünschten Energiekonversion teilzunehmen. Verlustströme stellen somit Verlustmechanismen dar, die den Wirkungsgrad von Strömungsmaschinen erheblich zu reduzieren vermögen. Ferner führen die heißen Verlustströme zu einer Er- bzw. Überhitzung der Schaufelspitzen. Versucht man die Spalte klein zu halten, wodurch auch die Verlustströme und somit die Erwärmung der Schaufelspitzen gering bleiben, sind Kühlmassnahmen leichter bzw. mit weniger Aufwand möglich.

Die besondere Problematik bei der Reduzierung von Verlustströmen liegt zum einen in der Notwendigkeit einer diskreten Beabstandung zwischen den stationären und rotierenden Komponenten einer Strömungsmaschine, um den Freilauf der Rotoranordnung zu gewährleisten; zum anderen gilt es eben diesen Zwischenraum aus den erwähnten Gründen so gering wie nur möglich zu halten und dies unter der erschwerenden Maßgabe, daß sich die Anlagenkomponenten einer Strömungsmaschine im Wege thermischer und mechanischer Belastung ausdehnen, wodurch sich die Relativlagen der einzelnen Komponenten aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungsverhalten während des Betriebes einer Strömungsmaschine verändern. Dies erschwert überdies eine möglichst minimale Spaltdimensionierung für den gesamten Betriebsbereich einer Strömungsmaschine, die - je nach Art der Strömungsmaschine - einem großen Temperaturspektrum ausgesetzt ist. So unterliegen die rotierenden Bauteile infolge der auf diese einwirkenden Fliehkräfte sowie der Eigenerwärmung einer schnelleren Ausdehnung, was grundsätzlich zu einer Spaltreduzierung führen würde, als die komplex, thermisch isolierten Komponenten des Stators, die eine langsamere Erwärmung erfahren und in einem thermisch stationären Betriebszustand durch Ausdehnung zu einer Vergrößerung des Spaltmaßes beitragen. Dieses Spaltmaß gilt es jeodch beim Betrieb so gering wie möglich zu halten.

Zur Kontrolle bzw. Beeinflussung des Spaltmaßes sind sowohl aktive als auch passive Maßnahmen bekannt, wobei passive Vorkehrungen vordergründig als vorteilhafter erscheinen, zumal aktive Steuervorkehrungen, die durch mechanische Einstellsysteme zur Spaltkontrolle realisiert sind, eine hohe Komplexität aufweisen, die für robuste, thermisch hoch beanspruchte Maschinen, wie beispielsweise Gasturbinenanlagen, nur bedingt geeignet sind.

Eine Möglichkeit eine Spaltkontrolle auf passivem Wege zu realisieren, ist die gezielte Optimierung von Materialkombinationen mit bestimmt ausgewählten Wärmeausdehnungskoeffizienten, die eine thermische Ausdehnung bei allen, den Spalt bestimmenden Anlagenkomponenten bewirkt, wodurch der Spalt zum einen, eine minimale Größe annimmt und zum anderen diese minimale Spaltweite über den gesamten Betriebsbereich, das heißt Temperaturbereich der Strömungsmaschinen beibehält.

Aufgrund der sehr komplexen Gestaltung bekannter Turbomaschinen sind die Möglichkeiten der beliebigen Wahl von Materialkombinationen für Stator- und Rotorbauteile zur Verbesserung des thermischen Verhaltens sehr begrenzt. Zwar kann die Materialwahl unter Berücksichtigung des Spalt-Weiten-Problems getroffen werden, doch vermag man bislang die Reduzierung des Spaltmaßes durch die bloße Wahl der Materialkombination in Alleinstellung nicht befriedigend zu lösen.

Eine andere Möglichkeit das Spaltmaß gering zu halten, ist das Inkaufnehmen von abrasiven Oberflächenvorgängen an Stator- und Rotorbauteilen. Hierbei sind die sich gegenüberliegenden fast berührenden Oberflächen zumindest teilweise mit abrasiven Oberflächenbeschichtungen versehen, die beim Betrieb der Strömungsmaschine durch ein beabsichtigtes Ab- bzw. Einschleifen gezielt abgetragen werden und somit zu einem optimierten Spalt führen.

Der sich durch einen abrasiven Vorgang ausbildende Spalt weist jedoch nach einem einmaligen Betriebszyklus der Strömungsmaschine eine optimierte maximale Spaltweite auf, die sich jedoch nicht wieder reduzieren läßt.

Schließlich sind auch konstruktive Maßnahmen für eine gleichmäßige Ausdehnung der Rotor- und Statorkomponenten einer Strömungsmaschine möglich, die jedoch allesamt mit einem erheblichen konstruktiven Mehraufwand verbunden sind, die überdies nicht für einen langzeitstabilen robusten Einsatz in Gasturbinen geeignet sind.

So geht aus der US 5,228,828 eine Vorrichtung zur Spalteinstellung zwischen Turbinenschaufeln und Wärmestausegment hervor. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf das in der US-Schrift in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel. Den einzelnen Turbinenschaufelspitzen 14, 16 ist ein Wärmestausegment 18, 82 gegenüberliegend angeordnet. Beide Bauteile schließen einen Spalt ein. Durch die Turbinengehäusewand 36 ragt eine Drehwelle 12, die innerhalb der Turbinengehäuses mit einer Steuerkurve 44 verbunden ist. Die Steuerkurve 44 beabstandet die Flanken 48 und 54 voneinander, zumal die Bauteile 46 und 52 durch die Feder 76 zusammengespannt werden. Nun greifen die Bauteile 46 und 52 andererseits in entsprechende Fortsätze 84 und 86 des Wärmestausegmentes 18 derart ein, dass bei einer Relativbewegung beider Bauteile 46 und 52 das Wärmestausegment 18 sich radial von den Turbinenschaufelspitzen 14 und 16 weg bzw. auf diese zubewegt. Eine Relativbewegung beider Bauteile 46 und 52 kann durch ein Verdrehen der Drehwelle 12 und der mit dieser verbundenen Steuerkurve 44 vorgenommen werden.

Die Darstellung dieser bekannten Vorrichtung zeigt deutlich einen komplizierten und aufwendigen konstruktiven Aufbau, wodurch der Betrieb der Gasturbine anfälliger gegenüber Reparatur und Wartung wird.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Spaltmasseinstellung für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine mit einer Vielzahl von in wenigstens einer Laufschaufelreihe einer Rotoranordnung angeordneten Laufschaufeln, einem die Rotoranordnung umgebenden Leitschaufelträger sowie ein den Leitschaufelträger umgebendes Turbinengehäuse, mit einer Vielzahl an dem Leitschaufelträger der Rotoranordnung sowie zumindest den Laufschaufelspitzen gegenüberliegend angeordneten Wärmestausegmenten, die zusammen mit den Laufschaufelspitzen einen Spalt einschließen sowie mit wenigstens einem Antriebsmittel, das das Turbinengehäuse sowie den Leitschaufelträger radial durchragt und mit wenigstens einem Wärmestausegment in kinematischer Wirkverbindung steht und das bei Betätigung eine radiale Beabstandung des Wärmestausegmentes bewirkt, derart weiterzubilden, daß der Spalt unabhängig vom Betriebszustand der Strömungsmaschine eine möglichst kleine Spaltweite aufweist, die sich aktiv regeln läßt aber zugleich keinen komplizierten konstruktiven Aufbau erfordert. Die hierbei zu treffenden mechanischen, konstruktiven Maßnahmen sollen einfach und kostengünstig realisiert werden und den Anforderungen eines robusten langzeitstabilen Einsatzes, beispielsweise in einer, in einem stationären Betrieb befindliche Gasturbine, genügen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche, der Beschreibung sowie der Figuren zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist dadurch ausgebildet, dass das Wärmestausegment in Strömungsrichtung der Strömungsmaschine eine der Rotoranordnung zugewandte konische Kontur aufweist und parallel zur Strömungsrichtung verschiebbar angeordnet ist, und dass das Antriebsmittel unmittelbar oder über eine Exzentereinheit mit dem Wärmestausegment derart verbunden ist, dass bei Betätigung des Antriebsmittels das Wärmestausegment verschoben wird, wodurch eine radiale Beabstandung zwischen Wärmestausegment und Laufschaufelspitzen einstellbar ist.

Die konische Kontur des Wärmestausegmentes ist vorzugsweise entweder durch einen Kegelmantel oder durch beliebige Erzeugungskurven gebildet, die sich in Strömungsrichtung erweitert.

Das dem erfindungsgemäßen Verstellmechanismus für eine gezielte Spaltmaßeinstellung zugrundeliegende Prinzip beruht darauf, dass der zwischen den Laufschaufelspitzen und dem in Strömungsrichtung konisch ausgebildeten Wärmestausegment eingeschlossene Spaltraum schräg zur Strömungsrichtung bzw. zur axialen Erstreckung des Turbinengehäuses orientiert ist, zumal die an den Laufschaufelspitzen befindlichen Laufschaufelendkanten zur Achse der Rotoranordnung geneigt orientiert sind. Wird nun ein Wärmestausegment, dessen der Rotoranordnung zugewandte Oberfläche in etwa parallel zu den Laufschaufelendkanten verläuft derart beabstandet am Leitschaufelträger angeordnet, so genügt lediglich eine Axialverschiebung des Wärmestausegmentes um den tatsächlichen radialen Abstand zwischen dem Wärmestausegment und der Laufschaufelendkante zu variieren.

Ein möglichst einfacher konstruktiver Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spaltmaßeinstellung wird insbesondere durch eine einfache und direkte kinematische Kopplung eines Antriebsmittels mit dem Wärmestausegment realisiert. Unter Bezugnahme auf die im Folgenden näher beschriebenen Ausführungsbeispiele werden alternative Lösungen für eine derartige kinematische Kopplung beschrieben. Das Antriebsmittel sorgt insbesondere für die axiale Verschiebbarkeit des Wärmestausegmentes, wodurch der radiale Abstand zwischen dem Wärmestausegment und der Laufschaufelspitze gezielt eingestellt werden kann. Vorzugsweise ist das aus dem Turbinengehäuse herausragende Antriebsmittel mit einem entsprechenden Antriebssystem verbunden, das seinerseits mit einer Überlastung- oder Rutschkupplung versehen ist, die dafür sorgt, dass bei Berührung zwischen dem Wärmestausegment und einer Laufschaufelspitze keine weitere axiale Zustellung und somit radiale Annäherung zwischen Wärmestausegment und einer Laufschaufelspitze erfolgen kann. Insbesondere sorgt die als Überlastungskupplung ausgebildete Überlastungseinheit dafür, dass bei einer kraftbeaufschlagten Berührung zwischen dem Wärmestausegment und wenigstens einer Laufschaufelspitze jene Position des Wärmestausegmentes beibehalten wird, in der das Wärmestausegment die Laufschaufelspitze gerade nicht berührt und somit einem minimalen Zwischenspalt zwischen Laufschaufelspitze und Wärmestausegment einschließt.

In Umlaufrichtung zu dem innerhalb des Leitschaufelträgers rotierenden Leitschaufelspitzen sind pro Laufschaufelreihe eine Vielzahl unmittelbar benachbarter Wärmestausegmente den Laufschaufelspitzen gegenüberliegend angeordnet. Jedes einzelne Wärmestausegment ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spaltmaßeinstellung versehen, so dass eine Vielzahl, das Turbinengehäuse durchragende Antriebsmittel vorgesehen ist. Grundsätzlich ist es möglich, durch individuelle Betätigung jedes einzelnen Antriebsmittels jedes einzelne Wärmestausegment individuell räumlich zu justieren, jedoch ist es ebenso denkbar, die Antriebsmittel für jedes einzelne Wärmestausegment miteinander mechanisch zu koppeln und über einen gemeinsamen Verstellmechanismus entsprechend anzusteuern.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung zur Spaltmaßeinstellung mit Exzentermechanismus in Seitenansicht,

Fig. 1b senkrechte Schnittdarstellung der in Fig. 1a gezeigten Vorrichtung in Vorderansicht,

Fig. 1c komponierte Draufsichtsdarstellung gemäß einer in Fig. 1b in Draufsicht,

Fig. 2a Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spaltmaßeinstellung mit direkter kinematischer Ankopplung zwischen Antriebsmittel und Wärmestausegment,

Fig. 2b Draufsichtsdarstellung bezüglich der in Fig. 2a gezeigten Vorrichtung,

Fig. 2c Detaildarstellung zur Anlenkung des Antriebsmittels an das Wärmestausegment.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1a ist eine Schnittansicht längs zum Verlauf einer um eine Rotationsachse R rotierenden Laufschaufel 1 gezeigt, die im Inneren einer Strömungsmaschine, die von einem Leitschaufelträger 2 umgeben ist, vorgesehen ist. Die in Fig. 1a dargestellte Laufschaufel 1 repräsentiert eine Laufschaufel unter einer Vielzahl von Laufschaufeln, die innerhalb einer Laufschaufelreihe einer nicht weiter dargestellten Rotoranordnung mit Rotationsachse R angeordnet sind. Zwischen dem Leitschaufelträger 2 und der als Laufschaufelendkante bzw. "Laufschaufelkrone" 3 ausgebildeten Spitze der Laufschaufel 1 ist ein Wärmestausegment 4 vorgesehen, das mit der Laufschaufelendkante 3 einen Zwischenspalt 5 einschließt. Das Wärmestausegment 4, das ebenso repräsentativ für eine Vielzahl von Wärmestausegmenten dargestellt ist, die den Laufschaufelspitzen einer Laufschaufelreihe entlang ihres gesamten inneren Umlaufbereiches gegenüber angeordnet sind, ist in Form eines Zylindersegmentes ausgebildet, wie es insbesondere aus der Zusammenschau der Querschnittsdarstellung gemäß der Fig. 1a sowie der Draufsicht gemäß Fig. 1c, auf die im Weiteren noch eingegangen wird, hervorgeht, und weist insbesondere zwei gegenüberliegende Kanten 41, 42 auf, die in entsprechende gegenkonturierte Nutverläufe 61, 62 einmünden. Vorzugsweise befinden sich die Nutverläufe 61, 62 innerhalb des Leitschaufelträgers 2 oder in fest mit dem Leitschaufelträger 2 verbundenen Komponenten der Rotationsmaschine.

Das Wärmestausegment 4 weist eine konisch dem Strömungskanal 7 zugewandte Oberfläche 43 auf, die im Axialschnitt vorzugsweise parallel zu der schräg zur Rotationsachse R geneigten Laufschaufelendkante 3 ausgerichtet ist. Zudem weisen die Nutverläufe 61 und 62 jeweils eine Nuttiefe t auf, die derart groß bemessen ist, so dass das Wärmestausegment 4 axial bzw. parallel zur Rotationsachse verschiebbar ist (siehe Doppelpfeildarstellung). Wie aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 1a entnehmbar ist, kann durch Axialverschiebung des Wärmestausegmentes 4 aufgrund der geneigten Lage relativ zur Rotationsachse R der Oberseite 43 des Wärmestausegmentes 4 sowie der Laufschaufelendkante 3 eine radiale individuelle Beabstandung zwischen Wärmestausegment 4 und Laufschaufel 1 vorgenommen werden. Somit kann durch Axialverschiebung des Wärmestausegmentes 4 die Spaltweite des Spaltes 5 eingestellt, vorzugsweise minimiert werden.

Zur Axialverschiebung des Wärmestausegmentes 4 dient ein Antriebssystem, das sich aus einem Antriebsmittel 8 und einer Exzentereinheit 9 zusammensetzt. Das Antriebsmittel 8 ist als stangenartige Drehachse ausgebildet und ragt durch den Leitschaufelträger 2 in einen Innenraum innerhalb der Strömungsmaschine ein, der durch das Wärmestausegment 4 und dem Leitschaufelträger 2 begrenzt wird. Am Ende des als stangenartige Drehachse ausgebildete Arbeitsmittel 8 ist die Exzentereinheit 9 fest angebracht, die mit einem Führungsstift 91 in eine Führungskulisse 10 hineinragt, die Teil des Wärmestausegmentes 4 ist. Die Führungskulisse 10 ist linear ausgebildet und senkrecht zur Strömungsrichtung (siehe fetten Pfeil) durch die Strömungsmaschine angeordnet, wie es insbesondere aus der Draufsicht gemäß Fig. 1c, auf die im Weiteren eingegangen wird, hervorgeht.

Wird nun an das als stangenartige Drehachse ausgebildete Antriebsmittel 8 um seine Drehachse D gedreht, so wird die Drehbewegung über die Exzentereinheit 9 und den Führungsstift 91 bedingt durch die Führungskulisse 10 in eine Linearbewegung überführt, durch die das Wärmestausegment 4 axial innerhalb der Nutverläufe 61, 62 verschoben wird. Je nach Drehrichtung des Antriebsmittels 8 kann das Wärmestausegment 4 radial von der Laufschaufelendkante 3 beabstandet oder an diese angenähert werden.

Damit das Wärmestausegment 4 in Umfangsrichtung innerhalb der Strömungsmaschine fixiert bleibt, ist ein federgespannter Bolzen 11 vorgesehen, der das Wärmestausegment 4 daran hindert, sich in Umfangsrichtung zu bewegen.

In Fig. 1b ist eine weitere Schnittdarstellung durch das in der Fig. 1a bereits dargestellte Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Schnittdarstellung in Fig. 1b entspricht dem Schnitt gemäß der Schnittlinie A-A, die in Fig. 1a eingetragen ist.

Die Laufschaufel 1 gemäß Fig. 1b ist in Strömungsrichtung (in die Zeichenbene hineingerichtet) dargestellt. Radial der Laufschaufelendkante 3 gegenüberliegend ist das Wärmestausegment 4 vorgesehen, das über die Exzentereinheit 9 mit dem als stangenartige Drehachse ausgebildeten Antriebsmittel 8 verbunden ist. Das Antriebsmittel 8 durchragt dabei den Leitschaufelträger 2, in dem das Antriebsmittel 8 in zwei getrennten Hülsen-Kugellagern 12 geführt ist. Ferner durchragt das Antriebsmittel 8 das Turbinengehäuse 13, das die gesamte Strömungsmaschine einschließlich des Leitschaufelträgers 2 umgibt.

Außerhalb des Turbinengehäuses 13 ist eine Antriebseinheit 14 sowie eine Überlastungseinheit 15 mit dem Antriebsmittel 8 kinematisch gekoppelt. Die Antriebseinheit 14 besteht aus einem Verstellring 16, einem Zahnstangensegment 17 und einem in das Zahnstangensegment 17 hineinragenden Zahnrad 18, das fest mit dem Antriebsmittel 8 verbunden ist. Ein fester Gegenanschlag 19, gegen den eine Feder 20 vorgespannt ist, die ihrerseits gegen das Zahnrad 18 kraftbeaufschlagt drückt, sorgt in Verbindung mit der als Überlastungskupplung ausgebildeten Überlastungseinheit 15 für einen Drehmoment begrenzten Antrieb des Antriebsmittels 8.

Bei entsprechender Betätigung der Antriebseinheit 14 wird durch Rotation des Antriebsmittels 8 das Wärmestausegment 4 axial verschoben, wodurch der Spalt 5 gezielt verkleinert werden kann. Kommt es zu einer kraftbeaufschlagten Berührung zwischen dem Wärmestausegment 4 und der Laufschaufelendkante 3, so wird durch das Streifen eine Kraft auf das Wärmestausegment 4, die Exzentereinheit 9 sowie auf die Überlastungseinheit 15 übertragen. Die Überlastungskupplung 15 rutscht in diesem Fall durch, wodurch sichergestellt wird, dass durch Anstreifen der Laufschaufelspitze an dem Wärmestausegment keine großen Schäden entstehen können.

Alternativ zu der in Fig. 1b dargestellten Antriebseinheit 14 sowie Überlastungseinheit 15 sind eine Vielzahl alternativer Lösungsmöglichkeiten unter Verwendung von Zahnrädern, Zahnstangen und Verstellriemen denkbar, den vorstehend genannten Sicherungsmechanismus zu realisieren.

Grundsätzlich ist es möglich, jedes einzelne Antriebsmittel 8, individuell zu betätigen. Die einzelnen Antriebsmittel 8 können jedoch auch mechanisch derart miteinander gekoppelt werden, so dass ein übergeordneter Regelungsmechanismus die Vielzahl einzelner Wärmestausegmente gemeinsam positionieren.

In Fig. 1b ist eine Schnittlinie B-B dargestellt, entlang der sich das Schnittbild gemäß Fig. 1c ergibt. Es handelt sich hierbei insbesondere um eine Draufsicht auf das Wärmestausegment 4, das beidseitig entlang seiner beiden Kanten 41, 42 in die Nutverläufe 61, 62 eines Leitschaufelträgers 2 hineinragt. Die Doppelpfeildarstellung oberhalb und unterhalb des Wärmestausegmentes gibt die axiale Verschiebbarkeit innerhalb des Nutverlaufes 61 an. Zur besseren Orientierung ist ferner eine Laufschaufel 1, die auf einer Plattform im Fußbereich steht, dargestellt mit entsprechender Bewegungsrichtung. Die Drehachse des Antriebsmittels 8 ist in Draufsicht dargestellt und über die Exzentereinheit 9 mit dem Führungsstift 91 verbunden, der in die Führungsnut 10 des Wärmestausegmentes 4 hineinragt. Der federbeaufschlagte Bolzen 11 sichert das Wärmestausegment 4 gegen Verrutschen in Umfangsrichtung.

Alternativ zu der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Spaltmaßeinstellung ist in Fig. 2a eine in der Schnittdarstellung gemäß zur Fig. 1a korrespondierende Darstellung jedoch mit einer alternativen Lösung zur kinematischen Anlenkung des Wärmestausegmentes 4 gezeigt. Wieder weist das Wärmestausegment 4 eine konisch ausgebildete Innenkontur 43 auf, die koparallel zur ebenfalls schräg ausgebildeten Laufschaufelkrone 3 ausgebildet ist. Auch münden in diesem Fall entsprechende Kantenabschnitte 41, 42 des Wärmestausegmentes 4 in Nutverläufe 61, 62 innerhalb des Leitschaufelträgers ein. Wesentlich bei dieser Ausführungsform ist jedoch, dass die Nutverläufe 61, 62 eine senkrecht zur Zeichenebene gemäß Fig. 2a verlaufende Steigung aufweisen oder Führungskulissen 22 vorsehen, die eine senkrecht zur Zeichenebene gemäß Fig. 2a verlaufende Steigung aufweisen, entlang der das Wärmestausegment 4 in Umfangsrichtung verschoben werden kann. Hierzu ist das Antriebsmittel 8 als Stange ausgebildet, die den Leitschaufelträger 2 schräg zur Umlaufrichtung durchragt. Dies kann insbesondere aus der Draufsichtdarstellung gemäß Fig. 2b sowie Fig. 2c entnommen werden. Das Antriebsmittel 8 ist im Falle der Fig. 2a über eine Bolzenverbindung 21 um eine Achse drehfest verbunden. Die Verbindung weist jedoch genügend Spiel auf, so dass das Antriebsmittel 8 relativ zum Wärmestausegment axialwärts verschiebbar ist. Insbesondere mündet der Bolzen der Bolzenverbindung 21 in einem Gleit- oder Kugellager, das eine Relativbeweglichkeit zum Wärmestausegment sicher stellt. Wird das Wärmestausegment 4 durch das als Antriebsstange ausgebildete Antriebsmittel 8 bewegt, so führt es eine kombinierte Bewegung in Umfangsrichtung sowie in axialer Richtung aus. Durch die Bewegung in Umfangsrichtung wird somit der Spalt zwischen der Laufschaufel 1 und dem Wärmestausegment 4 eingestellt. Auch in diesem Falle kann außerhalb des nicht weiter dargestellten Turbinengehäuses an der Antriebsstange 8 eine Überlastungskupplung sowie ein mechanisches Antriebssystem vorgesehen werden, wie es insbesondere in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 im Einzelnen dargestellt ist.

Bezugszeichenliste

1

Laufschaufel

2

Leitschaufelträger

3

Laufschaufelendkante, Laufschaufelkrone

4

Wärmestausegment

41

,

42

Kanten des Wärmestausegmentes

43

der Rotoranordnung zugewandte Oberfläche des Wärmestausegmentes

5

Spalt

61

,

62

Nutverlauf

7

Strömungskanal

8

Antriebsmittel

9

Exzentereinheit

91

Führungsstift

10

Führungsnut

11

federbeaufschlagter Bolzen

12

Kugellager

13

Turbinengehäuse

14

Antriebseinheit

15

Überlastungseinheit, Überlastungskupplung

16

Verstellring

17

Zahnstangensegment

18

Zahnrad

19

festes Gegenlager

20

Federelement

21

drehbewegliche Bolzenverbindung

Claims

1. Vorrichtung zur Spaltmasseinstellung für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine mit
einer Vielzahl von in wenigstens einer Laufschaufelreihe einer Rotoranordnung angeordneten Laufschaufeln,
einem die Rotoranordnung umgebenden Leitschaufelträger sowie ein den Leitschaufelträger umgebendes Turbinengehäuse,
einer Vielzahl an dem Leitschaufelträger der Rotoranordnung sowie zumindest den Laufschaufelspitzen gegenüberliegend angeordneten Wärmestausegmenten, die zusammen mit den Laufschaufelspitzen einen Spalt einschließen sowie
mit wenigstens einem Antriebsmittel, das das Turbinengehäuse sowie den Leitschaufelträger radial durchragt und mit wenigstens einem Wärmestausegment in kinematischer Wirkverbindung steht und das bei Betätigung eine radiale Beabstandung des Wärmestausegmentes bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmestausegment in Strömungsrichtung der Strömungsmaschine eine der Rotoranordnung zugewandte konische Kontur aufweist und parallel zur Strömungsrichtung verschiebbar angeordnet ist,
dass das Antriebsmittel unmittelbar oder über eine Exzentereinheit mit dem Wärmestausegment derart verbunden ist, dass bei Betätigung des Antriebsmittels das Wärmestausegment verschoben wird, wodurch eine radiale Beabstandung zwischen Wärmestausegment und Laufschaufelspitzen einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel mit einer Überlastungseinheit verbunden ist, die bei einer kraftbeaufschlagten Berührung zwischen dem Wärmestausegment und wenigstens einer Laufschaufelspitze eine radiale Beabstandung des Wärmestausegmentes zuläßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastungseinheit eine Überlastungskupplung ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel als stangenartige Drehachse ausgebildet ist, mit einem, in einen durch das Wärmestausegment und dem Leitschaufelträger begrenzten Zwischenraum hineinragenden Ende, das über die Exzentereinheit drehbeweglich mit dem Wärmestausegment verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmestausegment eine, der Exzentereinheit zugewandte Führungskulisse aufweist, in die ein, mit der Exzentereinheit verbundener Führungsstift hineinragt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungskulisse linear ausgebildet und senkrecht zur Strömungsrichtung durch die Strömungsmaschine angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmestausegment zwei gegenüberliegende Kanten aufweist, die in jeweils gegenkonturierte Nutverläufe innerhalb des Leitschaufelträgers eingreifen, und
dass die Nutverläufe jeweils eine Nuttiefe aufweisen, sodass eine Verschiebung des Wärmestausegmentes längs zur Nuttiefe beider Nuten möglich ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nuttiefen axial zur Strömungsmaschine erstrecken, sodass eine Axialverschiebung des Wärmestausegmentes durch Betätigung des Antriebsmittels erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel stangenartig ausgebildet ist und das Turbinengehäuse sowie den Leitschaufelträger schräg in Umfangsrichtung zur Turbomaschine durchragt und mit seinem, in einen durch das Wärmestausegment und dem Leitschaufelträger begrenzten Zwischenraum hineinragenden Ende über eine Achse dreh- sowie axialbeweglich mit dem Wärmestausegment verbunden ist, dass das Wärmestausegment über wenigstens eine Führungskontur mit dem Leitschaufelträger derart verbunden ist, dass bei Längsbetätigung des Antriebsmittels entlang seiner Längsachse das Wärmestausegment in Umfangs- sowie in Axialrichtung zur Strömungsmaschine bewegbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel und das Wärmestausegment über eine drehbewegliche Bolzenverbindung verbunden ist, die entlang der Bolzenachse eine Längsbeweglichkeit zwischen Antriebsmittel und Bolzen ermöglicht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmestausegment zwei sich gegenüberliegende Kanten aufweist, die in gegenkonturierte Nutverläufe innerhalb des Leitschaufelträgers einmünden, und dass die Nutverläufe derart ausgebildet sind, dass bei einer Bewegung des Wärmestausegmentes in Umfangsrichtung zugleich auch eine Bewegung in Axialrichtung zur Strömungsmaschine erfolgt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel mit einer Verstelleinrichtung verbunden ist, durch die das Antriebsmittel in Drehbewegung versetzbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastungseinheit das Arbeitsmittel in einer selbsttätig verbleibenden, kraftfreien Position hält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtungen pro Wärmestausegment miteinander kinematisch gekoppelt oder einzeln betätigbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinheit vorgesehen ist, die die Verstelleinheiten ansteuert.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmestausegment mittels einer Sicherungseinheit gegen Verdrehen in Umfangsrichtung zum Leitschaufelgehäuse gesichert ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinheit ein federgespannter Bolzen ist, der in eine Ausnehmung innerhalb des Leitschaufelgehäuses hineinragt.