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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
im Vorliegenden offenbarte Erfindung betrifft Gasturbinen. Insbesondere
wird die Erfindung genutzt, um die Beeinflussung des Toleranzspielraums
von Turbinenlaufschaufelspitzen vorzusehen.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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Eine
Gasturbine enthält
viele Komponenten, die sich unter wechselnden Betriebsbedingungen
ausdehnen oder zusammenziehen. Eine Turbine steht mit heißen Gase
in Wechselwirkung, die aus einer Brennkammer emittiert werden, um
eine Welle drehend anzutreiben. Die Welle ist gewöhnlich mit
einem Verdichter, und in einigen Ausführungsbeispielen mit einer
Einrichtung, die zur Aufnahme von Energie dient, beispielsweise
einem Stromgenerator, verbunden. Die Turbine befindet sich im Allgemeinen
in der Nähe
der Brennkammer. Die Turbine verwendet gelegentlich als "Schaufeln" bezeichnete Laufschaufeln,
um Energie der heißen
Gase zum Antrieb der Welle zu nutzen.
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Die
Turbinenschaufeln rotieren in einem Mantelring. Die heißen auf
die Turbinenschaufeln auftreffenden Gase versetzen die Welle in
Drehung. Der Mantelring dient dazu, zu verhindern, dass die heißen Gase um
die Turbinenschaufeln herum entweichen und somit nicht zum Antrieb
der Welle beitragen.
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Der
Abstand zwischen dem Ende einer Turbinenschaufel und dem Mantelring
wird als "Toleranzabstand/Toleranzspielraum" bezeichnet. Da heiße Gase
durch den Toleranzspielraum hindurch entweichen, nimmt der Wirkungsgrad
der Turbine mit wachsendem Toleranzabstand ab. Folglich kann ein
Maß des
Toleranzspielraums den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine beeinträchtigen.
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Falls
das Maß des
Toleranzspielraums zu klein ist, können thermische Eigenschaften
der Turbinenschaufeln, des Mantelrings und anderer Komponenten dazu
führen,
dass die Turbinenschaufeln an dem Mantelring reiben. Wenn die Turbinenschaufeln
an dem Mantelring reiben, kann es zu Schäden an den Turbinenschaufeln,
dem Mantelring und der Turbine kommen. Daher ist es wichtig, im
Verlauf unterschiedlicher Betriebszustände einen minimalen Toleranzabstand
aufrecht zu erhalten.
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Es
besteht somit ein Bedarf nach Techniken zur Verringerung des Toleranzabstandes
zwischen Turbinenschaufeln und einem Mantelring in einer Gasturbine.
Die Techniken sollten für
viele unterschiedliche Betriebsbedingungen vorteilhaft sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Offenbart
ist ein Ausführungsbeispiel
einer inneren Schale für
ein rotierendes Triebwerk, mit wenigstens einem Segment; und wenigstens
einem komplementären
Segment, das sich in betriebsmäßiger Verbindung
mit dem wenigstens einen Segment befindet, wobei die Segmente eine
Halterungsstruktur für
einen Mantelring bilden; wobei das wenigstens eine Segment und das
wenigstens eine komplementäre
Segment einzeln bewegt werden, um einen Satz von Abmessungen zu ändern, die
durch das wenigstens eine Segment und das wenigstens eine komplementäre Segment
definiert sind.
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Weiter
ist ein Ausführungsbeispiel
eines rotierenden Triebwerks offenbart, zu dem gehören: ein
Gehäuse;
eine an dem Gehäuse
angeordnete rotierende Komponente; ein benachbart zu der rotierenden
Komponente angeordneter Mantelring; eine Schale, die Segmente aufweist,
wobei sich wenigstens ein Segment in betriebsmäßiger Verbindung mit dem Mantelring
befindet, wobei sich wenigstens eine Abmessung des Mantelrings durch
die Schale regulieren lässt.
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Ferner
ist ein Beispiel eines Verfahrens zum Regulieren einer Abmessung
eines Mantelrings in einem rotierenden Triebwerk offenbart, wobei
zu dem Verfahren die Schritte gehören: Aufnehmen von durch ein
Regulierungssystem ausgegebenen Daten; Bewegen eines oder mehrerer
Segmente einer segmentierten Schale unter Verwendung der Daten,
wobei sich die Schale in betriebsmäßiger Verbindung mit dem Mantelring
befindet; und Verformen des Mantelrings mittels des einen oder der
mehreren Segmente.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der
als die Erfindung angesehene behandelte Gegenstand wird in den der
Beschreibung beigefügten Patentansprüchen speziell
aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend erwähnten sowie
weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen
der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren
verständlich,
in denen gleichartige Elemente mit denselben Bezugsnummern versehen
sind:
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1 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
einer Gasturbine;
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2A und 2B,
zusammengefasst mit 2 bezeichnet,
veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel
einer Turbinenstufe und eine innere Turbinenschale;
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3A, 3B und 3C,
zusammengefasst als 3 bezeichnet,
veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel
eines Spalts zwischen benachbarten Segmenten und einer zwischen
Segmenten angeordneten Dichtung;
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4A und 4B,
zusammengefasst als 4 bezeichnet,
veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel
eines Segments der inneren Turbinenschale;
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5 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
der inneren Turbinenschale mit Stellgliedern, die mit mehreren Segmenten
verbunden sind;
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6 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
der inneren Turbinenschale mit einer Hülse/Manschette;
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7 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
des Segments mit einem Leitapparat;
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8 veranschaulicht
ein exemplarisches Verfahren zum Regulieren einer Abmessung des
Mantelrings.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Vorliegenden sind vielfältige
Ausführungsbeispiele
von Vorrichtungen und Verfahren zum Beeinflussen einer Toleranz
zwischen mehreren Laufschaufeln und einem Mantelring in einem rotierenden
Triebwerk offenbart. Während
die veranschaulichten Ausführungsbeispiele
dazu dienen sollen, in einer Gasturbine den Toleranzabstand zwischen
mehreren Turbinenschaufeln und dem Mantelring einzuhalten, ist es
selbstverständlich,
dass die vorliegenden allgemeinen Ausführungen auch auf andere Arten
von Maschinen, beispielsweise auf Verdichter und Pumpen anwendbar
sind.
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Im
Vorliegenden werden Einrichtungen und Verfahren zum Regulieren einer
Abmessung des Mantelrings, z. B. des Durchmessers, speziell erläutert, die
dazu dienen, ein gewünschtes
Maß des
Toleranzspielraums zwischen dem Mantelring und einem Satz von Turbinenschaufeln
aufrecht zu erhalten. In einem Ausführungsbeispiel ist das gewünschte Maß des Toleranzspielraums
ein ein Reiben der Laufschaufeln an dem Mantelring ausschließendes minimales
Maß des
Toleranzspielraums.
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Zum
Zwecke der Vereinfachung sind gewisse Definitionen vorgesehen. Der
Begriff "rotierendes
Triebwerk" bezeichnet
Maschinen, die um den Umfang einer Welle angeordnete Laufschaufeln
enthalten. Die Welle und die Laufschaufeln rotieren gemeinsam, um
wenigstens ein Gas zu komprimieren, ein Fluid zu pumpen, einen Fluidstrom
in Rotationsarbeit umzuwandeln, und/oder einen Gasstrom in Rotationsarbeit
umzuwandeln. Der Begriff "Gasturbine" bezeichnet ein rotierendes
Triebwerk, das ein Triebwerk mit kontinuierlicher Verbrennung ist.
Die Gasturbine weist im Allgemeinen einen Verdichter, eine Brennkammer
und eine Turbine auf. Die Brennkammer emittiert heiße Gase,
die zu der Turbine gelenkt werden. Der Begriff "Turbinen schaufel" bezeichnet eine in der Turbine enthaltene
Laufschaufel. Jede Turbinenschaufel weist gewöhnlich eine Strömungsflächengestalt
auf, um die auf die Schaufel auftreffenden heißen Gase in Rotationsarbeit
zu konvertieren. Der Begriff "Turbinenstufe" bezeichnet mehrere
um den Umfang eines Abschnitts einer Turbinenwelle herum angeordnete
Turbinenschaufeln. Die Turbinenschaufeln der Turbinenstufe sind
in einem kreisförmigen Muster
um die Welle angeordnet. Der Begriff "Mantelring" bezeichnet eine Konstruktion, die dazu
dient, zu verhindern, dass die heißen Gase ungehindert um die
Turbinenschaufeln der Turbinenstufe herum entweichen. Die Konstruktion
ist radial außerhalb
der Turbinenstufe angeordnet und kann zylindrisch und/oder konisch sein.
Im Allgemeinen ist für
jede Turbinenstufe ein Mantelring vorhanden. Der Begriff "Toleranz/Toleranzspielraum/Toleranzabstand" bezeichnet das Maß eines
Abstands zwischen einer Spitze der Turbinenschaufel und dem Mantelring.
Der Begriff "innere
Turbinenschale" bezeichnet
eine mit dem Mantelring verbundene Konstruktion. Die innere Turbinenschale
umgibt den Mantelring und hält
diesen an Ort und Stelle. Die innere Turbinenschale kann mit mehreren
Mantelringen sowie mit zwischen Turbinenstufen angeordneten Leitapparaten verbunden
sein. Der Begriff "Gehäuse" bezeichnet eine
Konstruktion, die die innere Turbinenschale umgibt. Das Gehäuse verleiht
dem gesamten rotierenden Triebwerk strukturelle Integrität. Das Gehäuse sieht
ferner eine Druckgrenze zwischen dem äußeren Druck und dem inneren
Druck der Gasturbine vor. Der Begriff "Rundheit" bezeichnet einen Grad, bis zu dem eine
Konstruktion rund ist. Beispielsweise weist eine Konstruktion mit einem
hohen Grad von Rundheit mehr Rundheit auf als eine Konstruktion
mit einem geringen Grad von Rundheit. Der Begriff "perimetrisch" bezieht sich auf
einen Umfang.
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1 veranschaulicht
schematisch ein Ausführungsbeispiel
einer Gasturbine 1. Die Gasturbine 1 enthält einen
Ver dichter 2, eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4.
Der Verdichter 2 ist über
eine Turbinenwelle 5 mit der Turbine 4 verbunden.
In dem nicht als beschränkend
zu bewertenden Ausführungsbeispiel
von 1 ist die Turbinenwelle 5 ferner an einen
Stromgenerator 6 angeschlossen. (In weiteren Ausführungsbeispielen kann
die Turbinenwelle 5 mit anderen Arten von Maschinen, beispielsweise
einem Verdichter oder einer Pumpe, verbunden sein). Die Turbine 4 enthält Turbinenstufen 7,
entsprechende Mantelringe 8, eine innere Turbinenschale 10 und
ein Gehäuse 9.
Die innere Turbinenschale 10 umgibt die Mantelringe 8.
Im Allgemeinen weist die innere Turbinenschale 10 eine
sich verjüngende
oder konische Gestalt auf, die den Abmessungen der Turbinenstufen 7 entspricht.
Außerdem
sind in 1 eine mit der Welle 5 ausgerichtete
Längsachse 11 und
eine Radialrichtung 12 dargestellt, die senkrecht zu der
Welle 5 verlaufende Radialrichtungen repräsentiert.
Die Turbine 4 wird im Folgenden näher erläutert.
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2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel
der Turbine 4. 2A veranschaulicht
eine Stirnansicht der Turbine 4. Mit Bezug auf 2A ist
ein Toleranzspielraum 20 gezeigt. Der in 2A gezeigte
Mantelring 8 umschließt über einen
Winkel von etwa 360 Grad mehrere Turbinenschaufeln 27.
In einigen Ausführungsbeispielen
ist der Mantelring 8 aus mehreren Mantelringsegmenten aufgebaut,
die mehrere Bogensegmente enthalten, wobei jedes Bogensegment weniger
als 360 Grad aufweist. Der Mantelring 8 kann aus einem Material
hergestellt sein, das es dem Mantelring 8 ermöglicht,
sich auszudehnen und sich zusammenzuziehen. Die Bogensegmente des
Mantelrings 8 sind an der innere Turbinenschale 10 so
befestigt, dass sich der Mantelring 8 mit einem Ausdehnen
und Zusammenziehen der inneren Turbinenschale 10 ebenfalls
ausdehnt und zusammenzieht. Das "freie" Ende der (an dem
Mantelring 8 befestigten) inneren Turbinenschale 10 zieht
sich in radialer Richtung in Abhängigkeit
von einer Größe einer
Kraft radial auf das freie Ende ausgeübten zusammen. Durch Beeinflussen
bzw. Regulieren des Durchmessers der inneren Turbinenschale 10,
und somit des Mantelrings 8, lässt sich der Toleranzspielraum 20 auf
ein Minimum reduzieren, ohne das die Gefahr des Reibens gesteigert
wird.
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2B veranschaulicht
eine Seitenansicht der Turbine 4. Unter Bezugnahme auf 2B basiert
die innere Turbinenschale 10 auf einer Gruppe von Abschnitten 21.
Die Abschnitte 21 sind durch einen Reifen 22 zusammengehalten.
Die innere Turbinenschale 10 enthält ferner mehrere Segmente 24.
Jedes Segment 24 kann sich im Wesentlichen in der Radialrichtung 12 bewegen.
Durch eine Bewegung in der Radialrichtung 12, kann jedes
Segment 24 den Mantelring 8 erweitern oder zusammenziehen.
Eine auf ein Segment in der Radialrichtung 12 ausgeübte Kraft
bewirkt, dass sich ein Teil des Mantelrings 8 im Wesentlichen
in der Radialrichtung 12 erweitert oder zusammenzieht.
Eine auf sämtliche
Segmente gemeinsam (oder zusammengefasst) ausgeübte Radialkraft führt dazu,
dass sich der Mantelring 8 erweitert oder zusammenzieht
und einen Grad von Rundheit beibehält. Im Allgemeinen erhöht sich
mit steigender Anzahl von Segmenten 24 der dem Mantelring 8 verliehene
Grad von Rundheit. Jedes Segment 24 ist von einem benachbarten
Segment 24 durch einen Spalt 23 getrennt. Der
Spalt 23 ermöglicht,
es benachbarte Segmente 24 ohne Berührung frei zu verschieben.
An einem Ende des Spalts 23 ist ein Loch 25 vorgesehen,
um eine an der inneren Turbinenschale 10 auftretende Spannung
zu begrenzen, die dadurch ausgeübt
wird, dass die Segmente 24 einzeln oder gemeinsam entweder
radial nach innen oder radial nach außen bewegt werden.
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Mit
Bezug auf 2A ist eine als eine "Spaltdichtung 26" bezeichnete Zwischensegmentdichtung
vorgesehen, um die durch jeden Spalt 23 in der inneren
Turbinenschale 10 gebildete Öffnung abzudichten. Die Spaltdichtung 26 ist
zwischen zwei benachbarten Segmenten 24 angeordnet. 3A veranschaulicht
eine dreidimensionale Ansicht des Spalts 23 und des Lochs 25. 3B und 3C veranschaulichen
eine detaillierte Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Spaltdichtung 26,
die den in 3A dargestellten Spalt 23 abdichtet.
Die Spaltdichtung 26 enthält eine Streifendichtung 30,
die an eine innere Druckdichtung 31 und an eine äußere Druckdichtung 32 geschweißt ist.
Im Allgemeinen ist die innere Druckdichtung 31 und die äußere Druckdichtung 32 mit
Falten ausgebildet, um eine Abdichtung zu erzielen. Aufgrund der
Falten führt
eine Steigerung des Drucks auf die Dichtungen 31 und 32 zu
einer Steigerung der Dichtungseffizienz. Die innere Druckdichtung 31 dichtet
gegen heiße
Turbinengase 33 in der Turbine 4 ab. Die äußere Druckdichtung 32 dichtet gegen
jeden Leckstrom 34 ab, der die innere Druckdichtung 31 passiert.
Die Spaltdichtung 26 ist in einem Dichtungsspalt 29 eingesetzt,
der in jedem der in 2A und 3A gezeigten
benachbarten Segmente 24 vorhanden ist. In den Ausführungsbeispielen
von 2A und 3A ist
der Dichtungsspalt 29 im Allgemeinen senkrecht zu jedem
Spalt 23 angeordnet. Allerdings kann der Dichtungsspalt 29 einen
beliebigen Winkel und eine beliebige Gestalt aufweisen, die zur
Optimierung der Abdichten erforderlich sind.
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4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Segments 24. In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 4 ist jedes Segment 24 ebenfalls
ein Abschnitt 21. Durch Zusammenbau der Abschnitte 21 in
einem kreisförmigen
Muster entsteht die innere Turbinenschale 10. Unter Bezugnahme auf 4A weist
jedes Segment 24 eine um die Längsachse 11 im Allgemeinen
gekrümmte
Gestalt auf. Das in 4 gezeigte Segment 24 weist
zwei ebene Flächen
auf, um einen ebenen Balken 41 zu bilden. Der ebene Balken 41 ermöglicht es,
einen Ab schnitt des Segments 24 zu biegen. Der Abschnitt,
der sich bewegt, ist mit den Mantelringen 8 verbunden,
die zwei (bei 42 und 43 in 4B dargestellten)
Turbinenstufen 7 zugeordnet sind. Wie in 4 dargestellt,
weist der ebene Balken 41 eine reduzierte Dicke auf, um
die Flexibilität
des an dem Mantelring 8 befestigten freien Endes des Segments 24 zu
steigern.
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Die
Erfindung sieht vor, dass sich die Segmente 24 entweder
gemeinsam oder einzeln bewegen. Wenn sich die Segmente 24 einzeln
bewegen, ist im Allgemeinen jedes Segment 24 mit einem
Stellglied verbunden. 5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel
der inneren Turbinenschale 10, bei der jedes Segment 24 mit
einem Stellglied 50 verbunden ist. Das Stellglied 50 kann
ein elektrisches Stellglied, beispielsweise eine Magnetspule, ein
elektro-mechanisches Stellglied, beispielsweise eine elektrisch
betriebene Schraube, oder ein mechanisches Stellglied, beispielsweise
ein hydraulischer Kolben, sein. Das mechanische Stellglied kann ein
beliebiges Stellglied sein, das keine elektrische Betätigung beinhaltet.
In einem Ausführungsbeispiel
kann das Stellglied 50 unter Verwendung von Druck arbeiten,
der auf einen Kolben ausgeübt
wird. In noch einem Ausführungsbeispiel
kann das Stellglied 50, wie dem auf dem Gebiet der Stellglieder
erfahrenen Fachmann bekannt, thermisch mittels der Temperatur eines
Gases arbeiten, um eine Bewegung des Stellglieds 50 hervorzurufen.
In noch einem Ausführungsbeispiel
kann das Stellglied 50 chemisch arbeiten. Das Stellglied 50 kann
sich wenigstens längs
der Längsachse 11 und/oder
in der Radialrichtung 12 bewegen. Wenn sich das Stellglied 50 längs der
Längsachse 11 bewegt,
wird eine mechanische Einrichtung verwendet, um die Bewegung in
die Radialrichtung 12 zu überführen. Wenn sich das Stellglied 50 längs der
Radialrichtung 12 bewegt, ist keine Konvertierung der Bewegung
erforderlich. Das Stellglied 50 kann ein einfach wir kendes
Stellglied und ein doppelt wirkendes Stellglied sein. Ein einfach
wirkendes Stellglied 50 stellt Kraft in einer Richtung
bereit. Um sich in die andere Richtung zu bewegen, nutzt das einfach
wirkende Stellglied 50 eine Gegenkraft, die durch die Turbinengase 33 oder
Steifigkeit der Segmente 24 hervorgerufen wird. Ein doppelt
wirkendes Stellglied 50 stellt Kraft in zwei Richtungen
bereit.
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Eine
gemeinsame Bewegung der Segmente 24 wird verwendet, um
die Rundheit des Mantelrings 8 aufrecht erhalten. Wenn
sich die Segmente 24 gemeinsam bewegen, wird wenigstens
ein Stellglied 50 verwendet, um eine Einrichtung zu bewegen,
die die Segmente 24 gemeinsam bewegt. In einem Ausführungsbeispiel
ist die Einrichtung ein Ring oder eine Hülse/Manschette, die die Segmente 24 der
inneren Turbinenschale 10 umgibt. 6 veranschaulicht
eine die Segmente 24 umgebende Hülse/Manschette 60.
Durch eine Bewegung der Hülse/Manschette 60 in
die eine Richtung der Längsachse 11 wird
die konische Form der inneren Turbinenschale 10 bewirken,
dass sich die Segmente 24 gemeinsam bewegen und den Mantelring 8 zusammenziehen.
Durch eine Bewegung der Hülse/Manschette 60 in
die entgegengesetzte Richtung, bewirkt der von den Turbinengasen 33 oder
von der Steifigkeit jedes Segments 24 herrührende Druck,
dass sich die Segmente 24 gemeinsam so bewegen, dass sich
der Mantelring 8 erweitert. In einem Ausführungsbeispiel
ist die Hülse/Manschette 60 in
der Lage, den Kontakt mit den Segmenten 24 unmittelbar
herbeizuführen.
In noch einem Ausführungsbeispiel
kann die Hülse/Manschette 60 Rollen,
Nocken, Linearlager und/oder mechanische Anbindungen verwenden,
um eine Berührung
mit den Segmenten 24 hervorzurufen. In noch einem Ausführungsbeispiel
kann die Hülse/Manschette 60 mit
in Umfangsrichtung ausgebildeten Gewindegängen der inneren Turbinenschale 10 in
Eingriff stehen. In diesem Ausführungsbeispiel
bewegt sich die Hülse/Manschette 60, während sie
gedreht wird, längs
der Längsachse 11,
um den Mantelring 8 entweder zu erweitern oder zusammenzuziehen.
Darüber
hinaus kann eine longitudinale Betätigung auch doppelt wirken,
wobei die Bewegung des Rings oder der Hülse/Manschette 60 in
die eine oder andere Richtung bewirkt, dass sich der Mantelring 8 entsprechend
erweitert oder zusammenzieht.
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Die
Segmente 24 können
auch gemeinsam bewegt werden, indem derselbe Druck eines Gases auf eine
Außenfläche sämtlicher
Segmente 24 aufgebracht wird. Falls zur Bewegen der Segmente 24 Gasdruck verwendet
wird, wird der Druck der Turbinengase 33 oder die Steifigkeit
jedes Segments 24 genutzt, um die Segmente 24 in
eine dem Gasdruck entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Die Bewegung
der Segmente 24 kann auch durch Nutzung des Druckgefälles zwischen
der Außen-
und Innenseite der inneren Turbinenschale 10 erreicht werden.
Wenn der äußere Druck
der inneren Turbinenschale 10 den inneren Druck überschreitet,
ist die Nettowirkung, dass sich die Segmente 24 radial
nach innen bewegen. Wenn der äußere Druck der
inneren Turbinenschale 10 hingegen den inneren Druck unterschreitet,
ist die Nettowirkung, dass sich die Segmente 24 radial
nach außen
bewegen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der inneren Turbinenschale 10 verwendet eine passive Betätigung, um
die Segmente 24 zu bewegen. Im Falle passiver Betätigung stellt
ein relativer Druckabfall über
Komponenten, die gegenüber
der inneren Turbinenschale 10 innenliegend angeordnet sind,
eine Kraft zum Bewegen der Segmente 24 bereit. Ein Beispiel
einer einen Druckabfall hervorrufenden Komponente ist ein in 7 veranschaulichter
Leitapparat 70. Unter Bezugnahme auf 7 ist
der Leitapparat 70 an der inneren Turbinenschale 10 angebracht.
Der Leitapparat 70 ist zwischen zwei Turbinenstufen 7 angeordnet.
Der Leitapparat 70 leitet den von einer Turbinenstufe 7 stammenden
Gasstrom um, bevor dieser auf die nächste Turbinenstufe 7 trifft. Über den
Leitapparat 70 ist ein Druckabfall vorhanden, der proportional
zu dem Mengendurchsatz der Gasturbine 1 ist. Während des
Betriebs der Gasturbine 1 ändert sich der Mengendurchsatz
in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit und der Ausgangsleistung der Gasturbine 1.
Der maximale Druckabfall tritt bei der maximalen Geschwindigkeit
und bei Volllast auf. In diesem Ausführungsbeispiel übt der über den
Leitapparat 70 vorhandene maximale Druckabfall, wie in 7 gezeigt,
auf jedes Segment 24 ein maximales Biegemoment 71 aus. Das
maximale Biegemoment 71 führt dazu, dass sich das Segment 24 nach
innen bewegt bzw. biegt, wobei der Durchmesser des Mantelrings 8 reduziert
wird. Die Steifigkeit jedes Segments 24 und eine Verringerung des
Druckabfalls werden genutzt, um die Segmente 24 nach außen zu bewegen,
was den Durchmesser des Mantelrings 8 vergrößert. Im
Falle der passiven Betätigung
kann auf das Stellglied 50 verzichtet werden. In weiteren
Ausführungsbeispielen
kann eine Kombination von passiver und aktiver Betätigung genutzt
werden.
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Zur
Betätigung
des Stellglieds 50 kann ein in der Fachwelt der Regulierung
bekanntes Regulierungssystem genutzt werden. Das Regulierungssystem
kann zum Betätigen
des Stellglieds 50 Daten aufnehmen, die den Toleranzspielraum 20 kennzeichnen.
Die Daten können
(hier als "sensorgestützte Rückkopplungsregelung" bezeichnet) durch
einen Sensor bereitgestellt und in einem Regelkreis verwendet werden.
Der Sensor kann mindestens entweder den Toleranzspielraum 20 und/oder
den Toleranzspielraum 20 kennzeichnende Parameter erfassen.
Der Regelkreis wird die durch den Sensor gemessene Variable regeln
oder auch steuern, um einen Einstellwert aufrecht zu erhalten. In
einer Abwandlung können
die Daten (hier als "modellgestützte Steuerung" bezeichnet) von
einem Modell der Gasturbine 1 herangezogen werden. Im Allgemeinen
werden detaillierte Analyse- und Testverfahren eingesetzt, um die
Daten zu erzeugen, die die Ermittlung eines Maßes des Toleranzspielraums 20 betreffen,
das für
unterschiedliche Betriebsmodi erforderlich ist. Im Falle einer modellgestützten Steuerung
werden Sensoren nicht verwendet, um den Toleranzspielraum 20 als
Teil eines Regelkreises zu messen.
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8 veranschaulicht
ein exemplarisches Verfahren 80 zum Regulieren einer Abmessung
des Mantelrings 8. Der Toleranzspielraum 20 kann
durch Regulieren einer Abmessung, beispielsweise des Durchmessers,
des Mantelrings 8 eingestellt werden. Das Verfahren 80 beinhaltet
den Schritt des Aufnehmens 81 von Daten von einem Regelsystem.
Darüber
hinaus beinhaltet das Verfahren 80 den Schritt des Bewegens 82 eines
oder mehrerer Segmente 24 der inneren Turbinenschale 10 unter
Verwendung der Daten. Weiter beinhaltet das Verfahren 80 den
Schritt des Verformens 83 des Mantelrings 8 mittels
des einen oder der mehreren Segmente 24.
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Das
Verfahren 80 kann durch ein in dem Regelsystem enthaltenen
Softwareprodukt durchgeführt
werden. Das Softwareprodukt ist im Allgemeinen auf maschinenlesbaren
Medien gespeichert und enthält
von einem Rechner ausführbare
Befehle, die dazu dienen, eine Abmessung des Mantelrings 8 in
der Gasturbine 1 einzustellen. Der technische Effekt des
Softwareprodukts basiert darauf, dass durch Regelung des Toleranzspielraums 20 der
Wirkungsgrad der Gasturbine 1 gesteigert und Beschädigungen
daran verhindert werden.
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Die
Nutzung einer Gruppe der Abschnitte 21 schafft Vorteile
für die
Wartung der Gasturbine 1. Um auf jeden Abschnitt 21 zugreifen
zu können,
kann die Wartung und Instandhaltung der Gasturbine 1 ein
Zerlegen des Reifens 22 und ein Drehen der inneren Turbinenschale 10 um
die Längsachse 11 beinhalten.
Wenn die obere Hälfte
des Gehäuses 9 abgenommen
ist, kann ein ausgewählter
Abschnitt 21 ohne Entfernung der Welle 5 einzeln
entfernt und ausgetauscht werden. Durch die individuelle Entfernung
und Ersetzung der Abschnitte 21 kann die Wartung und Instandhaltung
ferner ein Entfernen und Ersetzen der gesamten inneren Turbinenschale 10 ohne
eine Entfernung der Welle 5 beinhalten. Gleichzeitig mit
dem Entfernen der inneren Turbinenschale 10 können Leitapparate,
z. B. der Leitapparat 70, und auch der Mantelring 8 entfernt
werden. Da die Welle 5 nicht entfernt wird, kann auf ein
erneutes Ausrichten der Welle 5 und der zugeordneten Lager
und Lagergehäuse
verzichtet werden.
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Gasturbinen 1 sind
häufig
konstruiert, um mittels eines an der horizontalen Mittelebene angeordneten, verschraubten/verbolzten
Flansch zerlegt zu werden. Die Verwendung des Flansches gemeinsam
mit einer dem Flansch zugeordneten, nicht kontinuierlichen Rundheit
kann dazu führen,
dass das Gehäuse 9 während des
Triebwerksbetriebs aufgrund eines Temperaturgradienten unrund wird.
Hinsichtlich der Fourier-Koeffizienten hat das Gehäuse 9 mit
zwei Hälften
einen Rundlauffehler von N = 2. Durch Aufteilen der inneren Turbinenschale 10 in
die Abschnitte 21 und den Zusammenbau der Abschnitte 21 mittels
wenigstens eines Reifens 22 wird die Rundheit gegenüber der
Verwendung von Flanschen verbessert. Bei ein und demselben Temperaturgradienten
ist der Rundlauffehler der inneren Turbinenschale 10 verringert,
da die Anzahl von zum Aufbau der inneren Turbinenschale 10 verwendeten
Abschnitte 21 erhöht
ist. Beispielsweise weist die innere Turbinenschale 10 mit
vier Abschnitten 21 (N = 4) einen geringeren Rundlauffehler
auf als die innere Turbinenschale 10 mit zwei Abschnitten 21 (N
= 2). Der Einsatz einer großen
Anzahl von Abschnitten 21, die mit wenigstens einem Reifen 22 zusammen
gehalten werden, schafft eine Möglichkeit,
den Rundlauffehler der inneren Turbinenschale 10 zu reduzieren.
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Vielfältige Komponenten
können
einbezogen werden und in Betracht kommen, um Aspekte der vorliegenden
Ausführungen
zu ermöglichen.
Beispielsweise kann das Regelungssystem wenigstens ein analoges System
und/oder ein digitales System enthalten. Das digitale System kann
wenigstens einen Prozessor, einen Arbeitsspeicher, Speichermittel,
eine Eingabe/Ausgabeschnittstelle, Eingabe-/Ausgabegeräte und/oder
eine Kommunikationsschnittstelle enthalten. Im Allgemeinen kann
das auf maschinenlesbaren Medien gespeicherte Softwareprodukt dem
digitalen System eingegeben werden. Das Softwareprodukt beinhaltet
Befehle, die durch den Prozessor ausgeführt werden können, um
den Toleranzspielraum 20 zu regeln. Die vielfältigen Komponenten
können
einbezogen werden, um die hier erörterten unterschiedlichen Aspekte
zu unterstützen,
oder um über
diese Offenbarung hinaus gehende sonstige Funktionen zu unterstützen.
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Es
ist selbstverständlich,
dass die vielfältigen
Komponenten oder Technologien gewisse erforderliche oder günstige Funktionalitäten oder
Merkmale vorsehen können.
Dementsprechend ist es klar, dass diese Funktionen und Merkmale,
wie sie möglicherweise
zur Stützung
der beigefügten
Patentansprüche
und deren Abwandlungen erforderlich sind, inhärent als eine Komponente der
vorliegenden Ausführungen
und ein Teil der offenbarten Erfindung mit eingeschlossen sind.
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Während die
Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass vielfältige Änderungen
vorgenommen werden können,
und dass Elemente davon durch äquivalente Ausführungen
substituiert werden können,
ohne dass der Schutzumfang der Erfindung berührt ist. Darüber hinaus
werden viele Modifikationen in den Sinn kommen, ein spezielles Instrument,
eine Situation oder ein Material an die Ausführungen der Erfindung anzupassen,
ohne von dem hauptsächlichen
Gegenstand der Erfindung abzuweichen. Es ist daher nicht beabsichtigt,
die Erfindung auf das spezielle Ausführungsbeispiel zu beschränken, das
als die am besten geeignete Weise der Verwirklichung der Erfindung
erachtet wird; vielmehr soll die Erfindung sämtliche Ausführungsbeispiele
einbeziehen, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
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Offenbart
ist eine innere Schale
10 für ein rotierendes Triebwerk,
zu dem wenigstens ein Segment; und wenigstens ein komplementäres Segment
gehören,
das sich in Verbindung mit dem wenigstens einen Segment befindet,
wobei die Segmente
24 eine Halterungsstruktur für einen
Mantelring bilden; wobei das wenigstens eine Segment und das wenigstens
eine komplementäre
Segment einzeln bewegt werden, um einen Satz von Abmessungen zu ändern, die
durch das wenigstens eine Segment und das wenigstens eine komplementäre Segment
definiert sind. Weiter ist ein Verfahren
80 zum Einstellen
einer Abmessung des Mantelrings in einem rotierenden Triebwerk offenbart. Bezugszeichenliste:
| Gasturbinentriebwerk | 1 |
| Verdichter | 2 |
| Brennkammer | 3 |
| Turbine | 4 |
| Turbinenwelle | 5 |
| Elektrischer
Generator | 6 |
| Turbinenstufen | 7 |
| Mantelringe | 8 |
| Innere
Turbinenschale | 10 |
| Gehäuse | 9 |
| Längsachse | 11 |
| Toleranzspielraum | 20 |
| Turbinenlaufschaufeln | 27 |
| Abschnitte | 21 |
| Reifen | 22 |
| Segmente | 24 |
| Radialrichtung | 12 |
| Spalt | 23 |
| Loch | 25 |
| Spaltdichtung | 26 |
| Streifendichtung | 30 |
| Innendruckdichtung | 31 |
| Außendruckdichtung | 32 |
| Turbinengase | 33 |
| Leckstrom | 34 |
| Dichtungsspalt | 29 |
| Ebener
Balken | 41 |
| Stellglied | 50 |
| Turbinengase | 33 |
| Hülse/Manschette | 60 |
| Leitapparat | 70 |
| Biegemoment | 71 |
| Exemplarisches
Verfahren | 80 |
| Entgegennehmen | 81 |
| Bewegen | 82 |
| Verformen | 83 |