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Die
Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Turbomaschinen,
zum Beispiel Gasturbinen wie Flugtriebwerke, weisen mindestens einen
Rotor und mindestens einen Stator auf, wobei ein Rotor zusammen
mit demselben rotierende Laufschaufeln und ein Stator ein Gehäuse und
Leitschaufeln aufweist. Die dem Rotor zugeordneten Laufschaufeln rotieren
gegenüber
dem feststehenden Gehäuse
und den feststehenden Leitschaufeln des Stators. Die Leitschaufeln
bilden Leitschaufelkränze
und die Laufschaufeln bilden Laufschaufelkränze, wobei zwischen zwei in
Durchströmungsrichtung
hintereinander angeordneten Leitschaufelkränzen jeweils ein Laufschaufelkranz
positioniert ist.
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Zwischen
einem radial außenliegenden Ende
der rotierenden Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes und dem
Gehäuse
sowie zwischen einem radial innenliegenden Ende der feststehenden Leitschaufeln
eines Leitschaufelkranzes und dem Rotor sind Spalte ausgebildet,
die zur Optimierung des Wirkungsgrads der Turbomaschine möglichst klein
ausfallen müssen.
Insbesondere der radial äußere Spalt
zwischen den radial außenliegenden
Enden der Laufschaufeln und dem Gehäuse unterliegt während des
Betriebs der Gasturbine erheblichen Veränderungen, da einerseits das
Gehäuse
und die Laufschaufeln sich auf Grund ihres unterschiedlichen thermischen
Verhaltens unterschiedlich stark ausdehnen, und da andererseits
die rotierenden Laufschaufeln auf Grund der im Betrieb der Turbomaschine
wirkenden Fliehkräfte
Spaltänderungen
verursachen. Die hier vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
automatische Beeinflussung des radial äußeren Spalts zwischen den radial
außenliegenden
Enden der Laufschaufeln und dem Gehäuse.
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Aus
dem Gasturbinenbau ist es bereits bekannt, zur automatischen Beeinflussung
des Spalts zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln
und dem Gehäuse
einen Teil des die Gasturbine durchströmenden Gases aus dem Strömungskanal,
in welchen die Laufschaufeln hineinragen, abzuleiten und in Richtung
auf das Gehäuse
zu führen,
um so zu erreichen, dass die Laufschaufeln und das Gehäuse ähnlichen
thermischen Bedingungen ausgesetzt sind und sich somit gleichstark
ausdehnen, damit letztendlich der radial äußere Spalt im Wesentlichen
unverändert
bleibt. Ein solches Ableiten von Gas aus dem Strömungskanal der Gasturbine zur
thermischen Beeinflussung des radial äußeren Spalts bezeichnete man
auch als "Thermal Active Clearance
Control". Insbesondere
im Verdichter einer Gasturbine stößt eine solche Spalthaltungskontrolle
basierend auf einer thermischen Beeinflussung des Gehäuses bei
schnellen Spaltänderungen,
die durch schnelle Drehzahländerungen
sowie durch Manöverlasten
hervorgerufen werden können,
an ihre Grenzen. Bei schnellen Änderungen
des radial äußeren Spalts
kann demnach mit der "Thermal
Active Clearance Control" der
Spalt nur unzureichend beeinflusst werden.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde
eine neuartige Turbomaschine zu schaffen.
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Dieses
Problem wird durch eine Turbomaschine im Sinne von Patentanspruch
1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist die
radial innenliegende Gehäusewand
in Umfangsrichtung segmentiert, wobei in Umfangsrichtung nebeneinander
angeordnete Segmente der radial innenliegenden Gehäusewand
derart miteinander verbunden sind, dass zwischen miteinander verbundenen
Segmenten eine Relativbewegung möglich
ist, und wobei vorzugsweise jedem Segment der radial innenliegenden
Gehäusewand eine
Stelleinrichtung zugeordnet ist, die auf das jeweilige Segment zur
Einstellung des Spalts einwirkt.
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Mit
der hier vorliegenden Erfindung ist eine sehr schnelle Beeinflussung
des radial äußeren Spalts
zwischen den radial außenliegenden
Enden der Leitschaufeln und dem Gehäuse möglich. Vorzugsweise ist jedem
Segment der radial innenliegenden Gehäusewand eine Stelleinrichtung
zugeordnet, die das jeweilige Segment zur Spaltbeeinflussung elektro-mechanisch
in radialer Richtung verschiebt. Die Verbindungsstellen zwischen
jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Segmenten der radial innenliegenden
Gehäusewand
erlauben ein Gleiten der Segmente in Umfangsrichtung sowie eine
Verkippung derselben zueinander, sodass über die elektro-mechanischen
Stelleinrichtungen eine exakte sowie schnelle Spaltbeeinflussung
möglich
ist, welche die aus dem Stand der Technik bekannte thermische Laufspaltbeeinflussung
in ihrer Leistungsfähigkeit deutlich übertrifft.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist jedem Verbindungsbereich
von zwei in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Segmenten
eine Stelleinrichtung zugeordnet, wobei die Stelleinrichtungen mit
einem radial innenliegenden Ende an einem der Segmente des entsprechenden Verbindungsbereichs
angreifen und mit demselben spielfrei verbunden sind, wobei in das
radial innenliegende Ende einer jeden Stelleinrichtung ein Sensor integriert
ist, der den Abstand zwischen dem jeweiligen Segment der radial
innenliegenden Gehäusewand
und dem radial außenliegenden
Ende der Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes und damit die Größe des Spalts
misst, wobei abhängig
hiervon das Segment verstellt bzw. der Spalt geregelt wird.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 einen
ausschnittsweisen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine,
insbesondere ein als Gasturbine ausgebildetes Flugtriebwerk, in
Umfangsblickrichtung; und
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2 einen
ausschnittsweisen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Turbomaschine
der 1 in Axialblickrichtung.
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Nachfolgend
wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 in
größerem Detail
beschrieben.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einem Verdichter 10 eines Gasturbinenflugtriebwerks
im Querschnitt, wobei der Verdichter 10 der 1 als
sogenannter Axialverdichter ausgebildet ist, der einen Rotor sowie
einen Stator aufweist. Der Rotor des Verdichters 10 der 1 wird
von mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten Rotorscheiben 11 gebildet,
wobei jede Rotorscheibe 11 in Umfangsrichtung nebeneinander
mehrere Laufschaufeln 12 trägt. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind
die Laufschaufeln 12 über
Schaufelfüße in den
Rotorscheiben 11 verankert. Die Laufschaufeln 12 können jedoch
auch integraler Bestandteil der Rotorscheiben 11 sein.
Die einer Rotorscheibe 11 zugeordneten, in Umfangsrichtung
nebeneinander angeordneten Laufschaufeln 12 bilden sogenannte
Laufschaufelkränze. 1 zeigt
drei Rotorscheiben 11 mit denselben zugeordneten Laufschaufeln 12 und
demnach drei in Axialrichtung des Verdichters 10 hintereinander
angeordnete Laufschaufelkränze.
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Der
Stator des Verdichters 10 umfasst ein Gehäuse 13 sowie
mehrere dem Gehäuse 13 zugeordnete
Leitschaufeln 14. Die Leitschaufeln 14 bilden sogenannte
Leitschaufelkränze,
wobei die Leitschaufelkränze
derart in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, dass
zwischen zwei hintereinander angeordneten Laufschaufelkränzen aus
Laufschaufeln 12 ein Leitschaufelkranz aus Leitschaufeln 14 positioniert
ist. Die rotierenden Laufschaufeln 12 rotieren zusammen
mit den Rotorscheiben 11 gegenüber den feststehenden Leitschaufeln 14 sowie
dem ebenfalls feststehenden Gehäuse 13.
Das Gehäuse 13 wird
von einer radial innenliegenden Gehäusewand 15 sowie einer
radial außenliegenden
Gehäusewand 16 gebildet.
Die radial in nenliegende Gehäusewand 15 begrenzt
zusammen mit der Nabenkontur der Rotorscheiben 11 einen
Strömungskanal 17 des Verdichters 10,
der im Sinne der Pfeile 18 durchströmt wird. Die Pfeile 18 visualisieren
demnach die Strömungsrichtung
durch den Strömungskanal 17 des
Verdichters 10.
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Wie 1 entnommen
werden kann, ist zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln 12 jedes
Laufschaufelkranzes und dem entsprechenden Abschnitt der radial
innenliegenden Gehäusewand 15 ein
Spalt 19 ausgebildet. Dieser Spalt 19 unterliegt
während
des Betriebs des Verdichters 10 erheblichen Veränderungen,
da einerseits die Laufschaufeln 12 und die radial innenliegende
Gehäusewand 15 ein
unterschiedliches thermisches Verhalten aufweisen, und da andererseits
die Laufschaufeln 12 aufgrund der im Betrieb wirkenden Fliehkräfte bzw.
Zentrifugalkräfte
einer Längenveränderung
unterliegen. Die Einhaltung definierter Abmessungen des Spalts 19 zwischen
den radial außenliegenden
Enden der Laufschaufeln 12 und der radial innenliegenden
Gehäusewand 15 bereitet demnach
während
des Betriebs der Gasturbine bzw. während des Betriebs des Verdichters 10 erhebliche Schwierigkeiten.
Zur Optimierung des Wirkungsgrads des Verdichters 10 ist
jedoch die Einhaltung definierter Abmessungen des Spalts 19 von
entscheidender Bedeutung.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird nun vorgeschlagen, die
radial innenliegende Gehäusewand 15 des
Gehäuses 13 in
Umfangsrichtung zu segmentieren, wobei in Umfangsrichtung nebeneinander
angeordnete Segmente 20 (siehe 2) der radial
innenliegenden Gehäusewand 15 an
Verbindungsstellen 21 miteinander verbunden sind. Die 2 zeigt
insgesamt vier in Umfangsrichtung nebeneinander positionierte Segmente 20 der
radial innenliegenden Gehäusewand 15,
wobei in Umfangsrichtung aneinander angrenzende Segmente 20 jeweils über eine
Verbindungsstelle 21 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstellen 21 sind
im Ausführungsbeispiel
der 2 allesamt als Nut-Feder-Verbindung ausgeführt. Die
Verbindungsstellen 21 ermöglichen eine Relativbewegung
der Segmente 20 zueinander, und zwar derart, dass jede
als Nut-Feder-Verbindung ausgebildete Verbindungsstelle 21 eine
Verschiebung der miteinander verbundenen Segmente 20 in
Umfangsrichtung sowie eine Verkippung derselben zulässt. Die
Nut-Feder-Verbindungen
verbinden demnach in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Segmente 20 gelenkig miteinander.
Die Verbindungsstellen 21 sind dabei relativ gut gasdicht.
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Wie 1 entnommen
werden kann, greifen die im Bereich einer Rotorstufe bzw. eines
Laufschaufelkranzes positionierten Segmente 20 der radial
innenliegenden Gehäusewand 15 in
stromaufwärts
bzw. stromabwärts
derselben angeordnete Außendeckbänder 22 der
feststehenden Leitschaufelkränze
ein, und zwar wiederum unter Ausbildung einer entsprechenden, als
Nut-Feder-Verbindung
ausgebildeten Verbindungsstelle 23. Die Verbindungsstellen 23 sind
wiederum relativ gut gasdicht. Weiterhin ermöglichen die Verbindungsstellen 23 auch
eine Relativbewegung der Segmente 20 der radial innenliegenden
Gehäusewand 15 in
Axialrichtung. Jeder im Bereich einer Rotorstufe bzw. eines Laufschaufelkranzes
positionierte Abschnitt bzw. Bereich der radial innenliegenden Gehäusewand 15 ist
demnach von den anderen Abschnitten bzw. Bereichen der radial innenliegenden
Gehäusewand 15 im
Hinblick auf die Spalthaltungskontrolle des Spalts 19 entkoppelt.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist nun jedem Segment 20 der radial innenliegenden Gehäusewand 15 eine
Stelleinrichtung 24 zugeordnet. Die Stelleinrichtungen 24 greifen
mit einem radial innenliegenden Ende 25 im Bereich der
Verbindungsstelle 21 an einem der im Bereich der Verbindungsstelle 21 miteinander
verbundenen Segmente 20 an. Mit einem gegenüberliegenden,
radial außenliegenden Ende 26 sind
die Stelleinrichtungen 24 an einem Trägerring 27 befestigt.
Wie 1 entnommen werden kann, verläuft der Träger 27 zwischen der
radial innenliegenden Gehäusewand 15 und
der radial außenliegenden
Gehäusewand 16 und
ist demnach von der radial außenliegenden
Gehäusewand 16 mechanisch
und thermisch entkoppelt.
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Jede
der Stelleinrichtungen 24 ist als elektro-motorischer Aktuator
ausgebildet, wobei in das radial innenliegende Ende 25 jeder
Stelleinrichtung 24 ein nicht-dargestellter Sensor integriert
ist, der den Abstand zwischen dem jeweiligen Segment 20 der
radial innenliegenden Gehäusewand 15 und
dem radial außenliegenden
Ende der Laufschaufel 12 des Laufschaufelkranzes der entsprechenden
Rotorstufe und damit die Größe des Spalts 19 im
Einflussbereich der jeweiligen Stelleinrichtung 24 misst.
Auf Basis dieses Messsignals wirken die Stelleinrichtungen 24 zur
Einstellung des Spalts 19 zwischen der radial innenliegenden
Gehäusewand 15 und
den radial außenliegenden
Enden der Leitschaufel 12 auf das jeweilige Segment 20 ein.
Hierbei bewirken die Stelleinrichtungen 24 eine Verschiebung
der Segmente 20 in radialer Richtung, was aufgrund der
eine Gelenkstelle bildenden Verbindungsstellen 21 möglich ist.
Die radial innenliegenden Enden 25 der Aktuatoren 24 sind
dabei im Bereich der Verbindungsstellen 21 mit dem entsprechenden
Segment 20 spielfrei verbunden. An dieser Stelle sei darauf
hingewiesen, dass die Stelleinrichtungen 24 die Segmente 20 der radial
innenliegenden Gehäusewand 15 in
einem Bereich von ± 0,5
mm in radialer Richtung verstellen bzw. verschieben können.
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Zusätzlich zu
den nicht-dargestellten Sensoren ist vorzugsweise in jede der Stelleinrichtungen 24 weiterhin
eine Regeleinrichtung integriert. Die Regeleinrichtungen erzeugen
abhängig
von den über
die Sensoren bereitgestellten Messsignale ein Stellsignal für die Stelleinrichtungen 24 zur
Verschiebung der Segmente 20 der radial innenliegenden
Gehäusewand 15.
Da vorzugsweise in jede der Stelleinrichtungen 24 ein separater
Sensor sowie eine separate Regeleinrichtung integriert ist, kann
jede der Regeleinrichtungen 24 und damit jedes Segment 20 der
radial innenliegenden Gehäusewand 15 unabhängig geregelt
werden. Dies ist für
eine exakte Einhaltung des Spalts 19 besonders vorteilhaft.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass den in die Stelleinrichtungen 24 integrierten
Regeleinrichtungen ein fester Sollwert für die Abmessung des Spalts 19 vorgegeben
sein kann. Es ist auch möglicht,
den Stelleinrichtungen 24 bzw. den in dieselben integrierten
Regeleinrichtungen zum Beispiel über
Funk fortlaufend neue bzw. aktuelle Sollwerte für die Abmessungen des Spalts 19 vorzugeben.
Hierdurch kann erzielt werden, dass in unterschiedlichen Betriebszuständen des
Verdichters 10 unterschiedliche Sollwerte für den Spalt 19 vorgegeben
werden.
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Die
Energieversorgung der Stelleinrichtungen 24 sowie der in
die Stelleinrichtungen 24 integrierten Sensoren sowie Regeleinrichtungen
kann entweder zentral oder bevorzugt dezentral erfolgen. So können zum
Beispiel die radial außenliegenden Enden
der Laufschaufeln 12 Magnete tragen, die dann auf induktivem
Wege eine Energieversorgung der Stelleinrichtungen 24 bewirken.
Die Auswahl einer geeigneten Energieversorgung für die Stelleinrichtungen 24 obliegt
dem hier angesprochenen Fachmann.
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Wie
bereits erwähnt,
sind die Stelleinrichtungen 24 an ihren radial außenliegenden
Enden 26 an einem Trägerring 27 befestigt,
der zwischen der radial innenliegenden Gehäusewand 15 und der
radial außenliegenden
Gehäusewand 16 positioniert
ist. Der Trägerring 27 ist
demnach thermisch und mechanisch vom Gehäuse 13 entkoppelt.
Der Trägerring 24 ist
vorzugsweise thermisch so an den Rotor des Verdichters 10 angepasst,
dass sich bei Lastwechseln der Gasturbine der Rotor sowie der Trägerring 27 gleichmäßig ausdehnen
und nur Änderungen
des Spalts 19 zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln
und der radial innenliegenden Gehäusewand 15 auftreten.
Hierzu ist der Trägerring 27 hinsichtlich
Materialdicke und Werkstoffeigenschaften derart an den Rotor des
Verdichters 10 angepasst, dass Rotor und Trägerring 27 ähnliche
thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen. In diesem Zusammenhang
sei angemerkt, dass vorzugsweise ein Teil der den Strömungskanal 17 durchströmenden Gasströmung aus
dem Strö mungskanal 17 abgeleitet
und in Richtung auf den Trägerring 27 geleitet
wird, um so zu erzielen, dass der Rotor sowie der Trägerring 27 ähnlichen
thermischen Bedingungen ausgesetzt sind.
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Die
Segmente 20 der radial innenliegenden Gehäusewand 15 verfügen auf
der den rotierenden Laufschaufeln 12 zugewandten Seite über einen
Einlaufbelag, der ein kontrolliertes Anstreifen bzw. Einlaufen der
Laufschaufelspitzen in die Segmente 20 zulässt. Derartige
Einlaufbeläge
sind dem hier angesprochenen Fachmann geläufig und bedürfen daher keiner
näheren
Erläuterung.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach ein elektromechanisches
System zur automatischen Regelung bzw. Beeinflussung des Spalts 19 zwischen
den radial außenliegenden
Enden rotierender Laufschaufeln 12 und einer radial innenliegenden
Gehäusewand 15 im
Bereich der rotierenden Laufschaufeln 12 vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß ist die
radial innenliegende Gehäusewand 15 in
Umfangrichtung segmentiert. Die in Umfangsrichtung nebeneinander
angeordneten Segmente 20 der radial innenliegenden Gehäusewand 15 sind
dabei derart gelenkig miteinander verbunden, dass zwischen miteinander
verbundenen Segmenten 20 eine Relativbewegung möglich ist.
Vorzugsweise ist jedem Segment 20 ein separate Stelleinrichtung 24 zugeordnet. Über die
Stelleinrichtungen 24 kann jedes Segment 20 zur
Einstellung des Spalts 19 in radialer Richtung verschoben
werden. Vorzugsweise ist in jede der Stelleinrichtungen 24 ein
separater Sensor sowie eine separate Regeleinrichtung integriert.
Jede der Stelleinrichtungen 24 kann dann unabhängig von den
anderen Stelleinrichtungen 24 das mit der Stelleinrichtung 24 zusammenwirkende
Segment 20 der radial innenliegenden Gehäusewand 15 individuell
in radialer Richtung verstellen. Hierdurch ist eine besonders exakte
Spalthaltungskontrolle möglich.
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Wie
bereits oben erwähnt,
greifen die im Bereich einer Rotorstufe bzw. eines Laufschaufelkranzes
positionierten Segmente 20 der radial innenliegenden Gehäusewand 15 in
stromaufwärts
bzw. stromabwärts
derselben angeordnete Außendeckbänder 22 der
feststehenden Leitschaufelkränze
ein, und zwar wiederum unter Ausbildung der Verbindungsstellen 23,
die eine Relativbewegung der Segmente 20 in Axialrichtung
ermöglichen.
Die Leitschaufelkränze
sind in Umfangsrichtung ebenfalls segmentiert, so dass auch zwischen
in Umfangrichtung benachbarten Leitschaufelkranzsegmenten eine Relativbewegung
möglich
ist. Hierdurch lässt sich
dann auch ein radial innenliegender Spalt zwischen den radial innenliegenden
Enden der feststehenden Leitschaufeln 14 eines Leitschaufelkranzes und
dem Rotor einstellen bzw. mitregeln.
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Mit
der Erfindung kann der Spalt zwischen den radial außenliegenden
Enden rotierender Laufschaufeln und einer radial innenliegenden
Gehäusewand
insbesondere in einem Verdichter einer Gasturbine sehr schnell sowie
sehr exakt nachgeregelt und damit auf einen extrem niedrigen Wert
gehalten werden. Auch lässt
sich der Spalt zwischen den radial innenliegenden Enden der feststehenden
Leitschaufeln und dem Rotor einstellen bzw. mitregeln. Die Erfindung
ermöglicht
dies auch bei sehr schnellen Lastwechseln sowie extremen Manöverlasten.
Mit der Erfindung können
höhere
Wirkungsgrade sowie größere Pumpgrenzabstände auch
während
eines längeren
Betriebs eingehalten bzw. erreicht werden.
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- 10
- Verdichter
- 11
- Rotorscheibe
- 12
- Laufschaufel
- 13
- Gehäuse
- 14
- Leitschaufel
- 15
- radial
innenliegende Gehäusewand
- 16
- radial
außenliegende
Gehäusewand
- 17
- Strömungskanal
- 18
- Strömungsrichtung
- 19
- Spalt
- 20
- Segment
- 21
- Verbindungsstelle
- 22
- Außendeckband
- 23
- Verbindungsstelle
- 24
- Stelleinrichtung
- 25
- Ende
- 26
- Ende
- 27
- Trägerring