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Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2004 037 955 A1 ist eine Turbomaschine mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist. Die rotorseitigen Laufschaufeln bilden mindestens einen Laufschaufelkranz, der an einem radial außenliegenden Ende an eine radial innenliegende Gehäusewand des Gehäuses angrenzt, von derselben umgeben ist und mit derselben einen radialen Spalt begrenzt. Die radial innenliegende Gehäusewand des Gehäuses wird auch als Innenring bzw. Mantelring bezeichnet und dient insbesondere als Träger für einen Einlaufbelag. Aus der DE 10 2004 037 955 A1 ist weiterhin bekannt, dass der Spalt zwischen dem Mantelring des Gehäuses und dem radial außenliegenden Ende des oder jedes Laufschaufelkranzes zur Bereitstellung eines sogenannten Active Clearance Control über Stelleinrichtungen in seinem Spaltmaß eingestellt bzw. angepasst werden kann, um so automatisch den Spalt zu beeinflussen und über alle Betriebsbedingungen eine optimale Spalthaltung zu gewährleisten. Dabei ist nach der DE 10 2004 037 955 A1 die radial innenliegende Gehäusewand bzw. der Mantelring in Umfangsrichtung segmentiert, wobei vorzugsweise jedem Segment eine separate Stelleinrichtung zugeordnet ist. Die Stelleinrichtungen sind vorzugsweise als elektro-mechanische Aktuatoren ausgeführt.
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Die
DE 101 17 231 A1 offenbart eine Turbomaschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Spalt zwischen radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln und der radial innenliegenden Gehäusewand mit Hilfe einer pneumatischen, also druckluftbetriebenen, Aktuatoreinheit eines Rotorspalt-Steuermoduls eingestellt werden kann. Die pneumatische Aktuatoreinheit des dort offenbarten Rotorspalt-Steuermoduls verfügt über eine Aktuatorkammer, eine Druckkammer und die Aktuatorkammer sowie die Druckkammer verbindende Ventile, wobei abhängig von dem in der Aktuatorkammer herrschenden Druck Dichtelemente des Rotorspalt-Steuermoduls aufgeblasen werden, um so im Sinne eines pneumatischen Active Clearance Control das Spaltmaß des Spalts zwischen radial außenliegenden Enden von Laufschaufeln und dem Mantelring des Gehäuses einzustellen bzw. anzupassen.
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Die
DE 29 22 835 C2 und die
US 52 11 534 A offenbaren weitere Turbomaschinen mit einem pneumatischen bzw. druckluftbetriebenen Active Clearance Control.
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So verfügt die Turbomaschine gemäß
DE 29 22 835 C2 über einen Stator und einen Rotor, wobei der Spalt zwischen radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln und einem Innenring bzw. Mantelring einer Gehäusewand pneumatisch eingestellt werden kann. Hierzu ist der Mantelring über nachgiebige Seitenwände mit einem Stützring verbunden, wobei der Mantelring, der Stützring und die Seitenwände eine faltenbalgartige Struktur bilden. Durch Einstellung des Drucks in einem von der faltenbalgartigen Struktur definierten Hohlraum kann der Spalt zwischen radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln und dem Mantelring eingestellt werden. Dabei sind nach der DE 29 22 835 C2 die nachgiebigen Seitenwände mehrfach gewölbt. Die Seitenwände sind nach der DE 29 22 835 C2 demnach in Axialrichtung gesehen abschnittsweise nach innen in den Hohlraum hinein und abschnittsweise nach außen aus dem Hohlraum heraus gewölbt.
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Die
DE 38 30 762 A1 betrifft eine Gasturbine mit einem pneumatischen Active Clearance Control (ACC), bei dem mehrere faltenbalgartige Aktuatoren um einen Mantelring herum angeordnet und mit Druckluft beaufschlagbar sind. Die Wände der Aktuatoren sind gegensinnig und einfach in den druckbeaufschlagbaren Hohlraum hinein abgewinkelt, wobei die Wandabschnitte etwa parallel zueinander und annähernd aneinander liegen. Für eine hohe Verstellkraft ist somit ein sehr hoher Luft bzw. Gasdruck erforderlich.
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Die
JP 57-041407 AA offenbart eine Turbomaschine mit einem ACC, bei dem ein faltenbalgartig umlaufender, elastisch verformbarer Aktuator mit Druckluft beaufschlagbar ist. In einer besonders einfachen Ausführung (
5) ist der Aktuator schlauchartig mit einfach nach Außen gewölbten Wänden ausgeführt. Eine hohe Verstellkraft ist auch hier nur mit einem hohem Innendruck erreichbar.
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Die
JP 62-142808 AA betrifft eine Gasturbine mit einem pneumatischen ACC, bei dem die Aktuatoren als radiale Kolben-Zylinder-Einheiten ausgeführt sind. Lediglich zur Abdeckung bzw. Abdichtung ist eine faltenbalgartige Struktur vorgesehen.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Turbomaschine mit einem pneumatischen Active Clearance Control zu schaffen, bei welchem die pneumatische Spaltverstellung kinematisch unterstützt bzw. verstärkt wird.
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Dieses Problem wird durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Hiernach sind im Bereich der oder jeder faltenbalgartigen Struktur die den Mantelring mit dem Stützring verbindenden Wände gegensinnig und einfach nach Innen in den jeweiligen Hohlraum hinein abgewinkelt und schließen mit ihren im Winkel stehenden Wandabschnitten einen stumpfen Winkel größer 90° ein, so dass die beiden Wände den Querschnitt des Hohlraums x-förmig einschnüren und nach dem Kniehebelprinzip die pneumatische Spaltverstellung kinematisch unterstützen.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 einen Querschnitt durch statorseitige Baugruppen einer erfindungsgemäßen Turbomaschine; und
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2 eine schematisierte Darstellung einer faltenbalgartigen Struktur der Turbomaschine gemäß 1.
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1 zeigt einen ausschnittweisen Querschnitt durch einen Stator eines Verdichters 10 einer Turbomaschine, wobei der Stator ein Gehäuse 11 sowie mehrere feststehende Leitschaufeln 12 umfasst. Die statorseitigen Leitschaufeln 12 bilden sogenannte Leitschaufelkränze, die in Axialrichtung gesehen hintereinander angeordnet sind. In 1 sind insgesamt vier feststehende, statorseitige Leitschaufelkränze 13, 14, 15 und 16 gezeigt.
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Neben dem Stator umfasst der Verdichter 10 einen in 1 nicht dargestellten Rotor, wobei der Rotor von mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten, nicht dargestellten Rotorscheiben gebildet ist, wobei jede Rotorscheibe in Umfangsrichtung nebeneinander mehrere, ebenfalls nicht dargestellte Laufschaufeln trägt. Die einer Rotorscheibe zugeordneten, in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Laufschaufeln bilden sogenannte Laufschaufelkränze, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Leitschaufelkränzen 13 und 14, 14 und 15 sowie 15 und 16 jeweils ein nicht dargestellter Laufschaufelkranz angeordnet ist.
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Das Gehäuse 11 des Stators des Verdichters 10 umfasst eine radial innenliegende Gehäusewand, wobei die radial innenliegende Gehäusewand im Bereich jedes rotorseitigen, in 1 nicht gezeigten Laufschaufelkranzes einen sogenannten Innenring bzw. Mantelring 17 bildet und den jeweiligen Laufschaufelkranz radial außen umschließt. Neben den Mantelringen 17 der radial innenliegenden Gehäusewand umfasst das Gehäuse 11 weiterhin eine radial außenliegende Gehäusewand 18.
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Wie bereits ausgeführt, bildet die radial innenliegende Gehäusewand im Bereich jedes nicht-dargestellten, rotorseitigen Laufschaufelkranzes einen sogenannten Mantelring 17, der den Laufschaufelkranz radial außen umschließt. Zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln eines jeden Laufschaufelkranzes und dem jeweiligen Mantelring 17 ist dabei ein radialer Spalt ausgebildet, der während des Betriebs des Verdichters erheblichen Veränderungen unterliegt, da einerseits die Laufschaufeln und die jeweiligen Mantelringe ein unterschiedliches thermisches Verhalten aufweisen und da andererseits die Laufschaufeln aufgrund der im Betrieb wirkenden Fliehkräfte bzw. Zentrifugalkräfte einer Längenänderung unterliegen.
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Die Einhaltung definierter Abmessungen des jeweiligen Spalts zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes und dem jeweiligen Mantelring 17 bereitet während des Betriebs erhebliche Schwierigkeiten, ist jedoch zur Optimierung des Wirkungsgrads von entscheidender Bedeutung.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun solche Details, mit Hilfe derer radiale Spalte zwischen radial außenliegenden Enden von Laufschaufelkränzen und dem jeweiligen Mantelring 17 exakt eingehalten werden können.
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Gemäß 1 sind die Mantelringe 17, die sich zwischen den Leitschaufelkränzen 13 und 14 sowie 15 und 16 erstrecken, über gewölbte sowie elastisch nachgiebige Wände 19 mit einem Stützring 20 verbunden, wobei der jeweilige Stützring 20 zwischen dem jeweiligen Mantelring 17 und der radial außenliegenden Gehäusewand 18 angeordnet ist. Der jeweilige Mantelring 17, der Stützring 20 sowie die sich zwischen den jeweiligen Mantelring 17 und dem jeweiligen Stützring 20 erstreckenden, gewölbten Wände 19 bilden jeweils eine faltenbalgähnliche Struktur 21, die einen Hohlraum 22 aufweist. Die jeweilige faltenbalgähnliche Struktur 21 und damit der Hohlraum 22 umgibt in Umfangsrichtung gesehen vollständig und damit geschlossen den jeweiligen Laufschaufelkranz.
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Durch Veränderung eines im jeweiligen Hohlraum 22 der faltenbalgähnlichen Struktur 21 herrschenden Drucks ist der Spalt zwischen dem jeweiligen Mantelring 17 und dem radial außenliegenden Ende des jeweiligen Laufschaufelkranzes pneumatisch einstellbar. Bei einer Druckerhöhung im Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 kann der jeweilige, radial innenliegende Mantelring 17 nach radial innen und der jeweilige, radial außenliegende Stützring 20 nach radial außen gedrückt werden. Durch eine Druckreduzierung im Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 kann eine entgegengesetzte Verformung der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 realisiert werden.
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Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der 1 sind die gewölbten, elastisch nachgiebigen Wände 19 der faltenbalgähnlichen Strukturen 21 in Axialrichtung gesehen ausschließlich einfach nach innen in den jeweiligen Hohlraum 22 hinein gewölbt. Im Bereich eines Scheitelpunkts der Wölbung schließen Wandabschnitte der jeweiligen Wand 19 einen relativ stumpfen Winkel α von größer als 90° ein. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2, die eine schematisierte Darstellung einer faltenbalgähnlichen Struktur 21 zeigt, beschrieben.
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So zeigt 2, dass im Bereich eines Scheitelpunkts 29 der Wölbung die Wandabschnitte der jeweiligen Wand 19 einen stumpfen Winkel α einschließen. Bei derart gewölbten Wänden 19 überlagern sich bei einer Druckerhöhung im entsprechenden Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 zwei Effekte.
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Erstens werden bedingt durch die Druckerhöhung im Hohlraum 22 der jeweilige Mantelring 17 sowie der jeweilige Stützring 20 unmittelbar in Radialrichtung gesehen auseinander gedrückt. Zweitens wird dieses radiale Auseinanderdrücken des jeweiligen Mantelrings 17 und Stützrings 20 durch einen kniehebelartigen Effekt der gewölbten Wände 19 unterstützt bzw. zumindest nicht behindert. Dabei sind die gewölbten Wände 19 im Wesentlichen ausschließlich Druckkräften ausgesetzt.
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Gemäß 1 und 2 weist die jeweilige faltenbalgartige Struktur 21 eine größere Radialerstreckung als Axialerstreckung auf. Vorzugsweise weisen die Wände 19 der jeweiligen faltenbalgartigen Struktur 21 eine größere Radialerstreckung als Axialerstreckung aufweisen.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 verfügen die gewölbten Wände 19 jeder faltenbalgähnlichen Strukturen 21 in Radialrichtung gesehen über eine in etwa konstante Wandstärke. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass die gewölbten Wände 19 in Radialrichtung gesehen eine veränderliche Wandstärke aufweisen.
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Wie ebenfalls 1 entnommen werden kann, weist der radial innenliegende Mantelring 17 jeder faltenbalgähnlichen Struktur 21 eine geringere Wandstärke auf als der jeweilige radial außenliegende Stützring 20. Der Stützring 20 einer jeden faltenbalgähnlichen Struktur 21 ist demnach mit einer dickeren Wandstärke ausgeführt als der jeweilige Mantelring 17. Hierdurch wird gewährleistet, dass durch Veränderung des im jeweiligen Hohlraum 22 herrschenden Drucks bewirkte Verformungen der faltenbalgähnlichen Struktur 21 in erster Linie auf den Mantelring 17 wirken.
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1 kann weiterhin entnommen werden, dass der Mantelring 17 einer jeden faltenbalgähnlichen Struktur 21 in einem in Axialrichtung gesehen mittleren Bereich eine nach radial außen gewölbte, in den jeweiligen Hohlraum 22 hineinragende Kontur 23 aufweist.
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Hierdurch wird erzielt, dass bei einer Verformung des Mantelrings 17 infolge einer Druckänderung im Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 eine äußere Kontur 28 des Mantelrings 17 in Radialrichtung gesehen im Wesentlichen ausschließlich parallel verschoben wird, so dass ein Spalt zwischen dem Mantelring 17 und dem Laufschaufelkranz exakt eingestellt werden kann.
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Jeder faltenbalgähnlichen Struktur 21 ist jeweils mindestens eine Druckluftleitung 24 zugeordnet, um in den jeweiligen Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 entweder Druckluft einzuleiten bzw. aus demselben Druckluft abzuleiten. Aus Gründen einer einfacheren Darstellung zeigt 1 eine derartige Druckluftleitung 24 ausschließlich für die in Axialrichtung gesehen zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 13 und 14 positionierte faltenbalgähnliche Struktur 21. Jeder faltenbalgähnlichen Struktur 21 ist mindestens eine derartige Druckluftleitungen 24 zugeordnet. Je mehr derartige Druckluftleitungen 24 pro faltenbalgähnlicher Struktur 21 vorhanden sind, desto schneller kann Druckluft in den jeweiligen Hohlraum 22 eingeleitet bzw. aus demselben abgeleitet werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 13 und 14 sowie zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 15 und 16 jeweils eine faltenbalgähnliche Struktur 21 angeordnet, zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 14 und 15 ist hingegen keine derartige faltenbalgähnliche Struktur vorhanden. Vielmehr ist gemäß 1 zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 14 und 15 und damit im Bereich eines zwischen denselben angeordneten Laufschaufelkranzes eine Sensoreinheit 25 angeordnet.
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Mit der Sensoreinheit 25 kann zumindest die radiale Abmessung des Spalts zwischen dem entsprechenden Laufschaufelkranz und dem diesen Laufschaufelkranz umgebenden Mantelring 17 vermessen werden. Über eine Signalleitung 26 übermittelt die Sensoreinheit 25 einen entsprechenden Istwert an eine nicht dargestellte Regeleinrichtung, wobei die Regeleinrichtung den Istwert mit einem Sollwert vergleicht und abhängig hiervon den in den Hohlräumen 22 der faltenbalgartigen Strukturen 21 herrschenden Druck derart einstellt, dass sich der Istwert dem Sollwert annähert.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Druckluftzufuhr in die Hohlräume 22 bzw. die Druckluftabfuhr aus den Hohlräumen 22 der faltenbalgartigen Strukturen 21 über individuelle Ventile einstellbar ist, um so den in den Hohlräumen 22 der beiden faltenbalgartigen Strukturen 21 herrschenden Druck individuell einzustellen und so jeweils die Abmessung des radialen Spalts zwischen dem Mantelring 17 und dem entsprechenden Laufschaufelkranz anhängig von der jeweiligen Radialerstreckung des Laufschaufelkranzes individuell einzustellen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, die Druckluftzufuhr in die Hohlräume 22 der faltenbalgartigen Strukturen 21 bzw. die Druckluftabfuhr aus denselben über ein gemeinsames Ventil einzustellen. Durch unterschiedliche Radialerstreckungen der jeweiligen Laufschaufelkränze des Verdichters 10 erforderliche, unterschiedliche Verformungen der faltenbalgähnlichen Strukturen 21 sind dann durch eine angepasste Wölbung der gewölbten Wände 19 und/oder eine angepasste Wandstärke der gewölbten Wände 19 und/oder durch eine angepasste radiale Erstreckung der faltenbalgähnlichen Strukturen 21 erzielbar.
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Gemäß 1 sind die beiden faltenbalgähnlichen Strukturen 21 jeweils durch sich in Radialrichtung erstreckende Trennebenen in Axialrichtung geteilt, wobei bei der Fertigung die beiden Axialhälften der faltenbalgähnlichen Strukturen 21 miteinander verschweißt werden. Alternativ ist es auch möglich, die faltenbalgähnlichen Strukturen in Radialrichtung zu teilen.
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Gemäß 1 und 2 ist im Bereich jeder faltenbalgartigen Struktur 21 jede Wand 19 in Axialrichtung gesehen ausschließlich einfach nach innen in den jeweiligen Hohlraum 22 hinein gewölbt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verdichter
- 11
- Gehäuse
- 12
- Leitschaufel
- 13
- Leitschaufelkranz
- 14
- Leitschaufelkranz
- 15
- Leitschaufelkranz
- 16
- Leitschaufelkranz
- 17
- Innenring bzw. Montering
- 18
- radial außenliegende Gehäusewand
- 19
- Wand
- 20
- Stützring
- 21
- faltenbalgähnliche Struktur
- 22
- Hohlraum
- 23
- gewölbte Kontur
- 24
- Druckluftleitung
- 25
- Sensoreinheit
- 26
- Signalleitung
- 27
- Trennebene
- 28
- Kontur
- 29
- Scheitelpunkt
