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Die
Erfindung betrifft ein Spaltkontrollsystem zum Einstellen eines
Laufspalts zwischen einem Rotorschaufeln umfassenden Rotor einer
Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, und einer diesen
zumindest abschnittsweise umgebenden, wenigstens zwei Segmente umfassenden
Ummantelung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine,
insbesondere eine Gasturbine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs
23 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Einstellen eines Laufspalts
zwischen einem Rotorschaufeln umfassenden Rotor einer Strömungsmaschine,
insbesondere einer Gasturbine, und einer diesen zumindest abschnittsweise
umgebenden, wenigstens zwei Segmente umfassenden Ummantelung.
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Der
Wirkungsgrad einer Strömungsmaschine, beispielsweise eines
Verdichters oder einer Turbine, hängt wesentlich von der
Größe des radialen Laufspalts zwischen einem Rotor
und statischen Bauteilen der Strömungsmaschine ab. Bei
Verdichtern wird zusätzlich die Lage der Pumpgrenze – das heißt
die Grenze, bis zu der ein stabiler Betrieb der Strömungsmaschine
möglich ist – wesentlich durch die Größe
des Laufspalts bestimmt. Die Verwirklichung von möglichst
kleinen, über die Betriebsdauer der Strömungsmaschine
konstant bleibenden radialen Laufspalten ist daher ein vorrangiges
Auslegungsziel. Dies ist umso wichtiger, je kleiner die Abmessungen
der Rotorschaufeln des Rotors sind. Dies ist beispielsweise in hinteren
Stufen eines Hochdruckverdichters bzw. einer als Hochdruckturbine ausgebildeten
Strömungsmaschine der Fall.
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Betrachtet
man das Laufspaltverhalten einer Strömungsmaschine, so
stellt man fest, dass der Laufspalt aufgrund unterschiedlicher zeitlicher
Dehnverhalten des Rotors und seiner Ummantelung, welche beispielsweise
als Gehäuse oder Gehäuseteil ausgebildet sein
kann, relativ stark variiert. Zur näheren Erläuterung
zeigt 1 ein schematisches Liniendiagramm einer zeit-
und lastabhängigen Spaltänderung zwischen einer
Rotorscheibe und einer diese umgebenden Ummantelung einer Strömungsmaschine,
wie sie typischerweise während des Betriebs einer als Hochdruckverdichter
ausgebildeten, aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsmaschine für
ein Triebwerk der 30 klb Schubklasse auftritt. Dabei beschreiben
die durchgezogene Linie ϕ1 einen Radius
der Rotorscheibe und die durchgezogene Linie ϕ2 einen
Radius der Ummantelung, wohingegen die gestrichelte Linie ϕ3 den zum Einstellen eines Laufspalts L mit
einer optimalen Größe Δropt geforderten
Radius der Ummantelung beschreibt.
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Die
optimale Größe Δropt des
Laufspalts L soll dabei mit Hilfe eines Spaltkontrollsystems der
Strömungsmaschine eingestellt werden können. Im
gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein zumindest annähernd
konstanter Laufspalt L mit der Größe Δropt = 0,1–0,2 mm angestrebt. Beim
Beschleunigen (Phase Ib) aus einer Leerlaufphase Ia, in welcher
der Laufspalt L die Anfangsgröße Δr1 besitzt, erfährt der Radius des
Rotors bzw. der Rotorscheibe im Bereich B1 – proportional
zur Drehzahländerung – eine Radiusänderung
aufgrund der wirkenden Fliehkräfte. Demgegenüber
erfolgt eine thermisch bedingte Dehnung der Rotorscheibe aufgrund
ihrer vergleichsweise großen radialen Erstreckung und großen
Masse deutlich langsamer (Bereich B2). Die
Ummantelung mit ihrer im Vergleich zum Rotor geringeren Masse reagiert
in der Regel thermisch wesentlich schneller (Bereich B3).
Beim Beschleunigen gemäß Phase Ib verringert sich
daher der ursprünglich vorhandene Laufspalt L = Δr1 zunächst wegen der sehr schnell
wirkenden Fliehkraftdehnung des Rotors und wird dann deutlich größer,
weil die Ummantelung thermisch schneller reagiert. Der Laufspalt
L erreicht im Bereich B4 seinen Maximalwert Δrmax – z. B. ΔrmaX =
0,8 mm – über welchen der mit Pfeil I markierte
geforderte Verstellbereich der Ummantelung bzw. der Segmente der
Ummantelung definiert ist.
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Nachdem
auch der Rotor durchgeheizt ist, wird in Phase Ic die stationäre
Laufspaltgröße Δrstat – z.
B. Δrstat = 0,4 mm – erreicht.
Beim Verzögern in Phase Id vergrößert
sich zunächst der Laufspalt L wegen der geringer werdenden
Fliehkraftbelastung des Rotors. Anschließend wird der Laufspalt
L wieder kleiner und erreicht seinen Minimalwert Δrmin, da die Ummantelung schneller abkühlt
als der Rotor. Beim Abkühlen der Strömungsmaschine
stellt sich nach einer gewissen Zeit wieder die Anfangsgröße Δr1 des Laufspalts L ein. Aus 1 ist
ersichtlich, dass der erforderliche Verstellhub der Ummantelung
relativ klein ist und weniger als 1,0 mm beträgt. Um eine deutliche
Verbesserung zu erzielen, sind daher Spaltkontrollsysteme mit Verstelleinrichtungen
erforderlich, die möglichst präzise funktionieren.
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Das
beschriebene transiente Spaltverhalten eines rein passiven Spaltkontrollsystems
und die Forderung, dass ein „hartes” Anstreifen
der Rotorschaufeln an der Ummantelung unbedingt zu vermeiden ist,
führt insbesondere im Hochdruckbereich von modernen Strömungsmaschinen
zu stationären Laufspaltgrößen Δrstat im Bereich von etwa 2–3% der Höhe
der Rotorschaufeln. Die maximalen Laufspaltgrößen Δrmax, die während des transienten
Betriebes auftreten, können dabei jedoch mehr als die doppelten
Werte erreichen. Die Größe des Laufspalts einer Strömungsmaschine
hängt zusammenfassend von verschiedenen Einflussgrößen
ab:
- – Dehnungen des Rotors aufgrund
von Fliehkraftwirkungen;
- – Thermische Dehnungen des Rotors und der Ummantelung;
- – Dehnungen und Ovalisierung der Ummantelung aufgrund
von Manöverlasten und Druckkräften;
- – Versatz zwischen der Drehachse des Rotors und der
Mittelachse der Ummantelung aufgrund von Manöverlasten;
sowie
- – Fertigungstoleranzen, beispielsweise Unrundheiten
oder Exzentrizitäten.
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Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten passiven Spaltkontrollsystemen
wird versucht, anhand der Masse des Rotors und der Ummantelung bzw.
deren Masseverteilung, durch geeignete Führung von Sekundärluftströmen
sowie durch Beeinflussung des Wärmeflusses mithilfe geometrisch
optimierter Gestaltung und Wärmedämmschichten
das Dehnverhalten der Strömungsmaschinenbauteile derart
zu optimieren, dass geringstmögliche Differenzdehnungen
zwischen dem Rotor und dem Stator bzw. der Ummantelung erzielt werden.
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Alternativen
stellen thermisch aktive Spaltkontrollsysteme dar, bei denen der
Laufspalt durch gezieltes Kühlen bzw. Aufheizen der relevanten
Bauteile optimiert wird. Beispiele hierfür sind das Spaltkontrollsystem
der CFM56-Triebwerksfamilie, bei der die Rotortemperatur geregelt
wird, oder das aus der
US 4,329,114 bekannte
Spaltkontrollsystem, mittels welchem die Gehäusetemperatur
der Strömungsmaschine geregelt wird. Da diese Spaltkontrollsysteme nur über
die Beeinflussung der Bauteiltemperaturen wirken, reagieren sie
relativ langsam und können daher nur die stationären
Laufspalte signifikant verbessern. Auf schnelle Änderungen
des Laufspalts – wie sie wie vorstehend beschrieben bei
transienten Betriebszuständen entstehen auf einen Versatz
zwischen einer Drehachse des Rotors und einer Mittelachse der Ummantelung
sowie auf Exzentrizitäten, wie sie bei Manöverlasten
entstehen, können diese Spaltkontrollsysteme jedoch nicht
bzw. nur sehr eingeschränkt reagieren.
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Als
weitere Alternative sind mechanisch aktive Spaltkontrollsysteme
bekannt. Um einen möglichst kleinen Laufspalt unter Berücksichtigung
der genannten Einflussgrößen erzielen zu können,
sollte sich die Ummantelung des Rotors zu jedem Zeitpunkt möglichst
gut an dessen Durchmesser und relative Lage anpassen können.
Zu diesem Zweck wird die Ummantelung häufig segmentiert.
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Die
GB 2108591 A zeigt
beispielsweise ein Spaltkontrollsystem für eine derartige,
segmentierte Ummantelung einer Strömungsmaschine. Jeweils drei
Segmente sind dabei durch einen Hebelmechanismus miteinander gekoppelt.
Diese zusammengekoppelten Segmente werden mit jeweils einem Aktuator
in Abhängigkeit von Messsignalen mehrerer Sensoreinrichtungen
gleichförmig verstellt. Der Laufspalt bei jeder dieser
zusammengekoppelten Segmentgruppe kann hierdurch über die
Umfangsersteckung der Segmentgruppe auf einen mittleren Laufspalt
eingestellt werden. Bei Durchmesseränderungen des Rotors
und der Ummantelung liefert das Spaltkontrollsystem damit vergleichsweise
gute Ergebnisse gegenüber thermisch aktiven Spaltkontrollsystemen.
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Ein
Versatz zwischen der Drehachse des Rotors und der Mittelachse der
Ummantelung sowie Ovalisierungen der Ummantelung können
jedoch nicht oder nicht zufrieden stellend ausgeglichen werden.
Da die Segmente der Segmentgruppe in Umfangsrichtung ortsfest gelagert
sind, entstehen bei einem Versatz der Drehachse des Rotors gegenüber der
Mittelachse der Ummantelung sichelförmige Laufspalte, da
alle gekoppelten Segmente der Ummantelung die gleiche Hubbewegung
ausführen. Um eine im Vergleich zu einem passiven Spaltkontrollsystem
verbesserte Einstellbarkeit des Laufspalts erreichen zu können,
ist zudem eine relativ große Anzahl von zwölf
oder mehr Segmentgruppen erforderlich. Gleichzeitig wird auch eine
entsprechende Anzahl von Aktuatoren und Sensoreinrichtungen benötigt,
wodurch neben den Herstellungskosten auch der Bauraumbedarf und
die Fehleranfälligkeit steigen.
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Aus
der
GB 2099515 A ist
ebenfalls eine Strömungsmaschine mit einer segmentierten
Ummantelung zu entnehmen, wobei jedes Segment zum Einstellen des
Laufspalts durch ein Spaltkontrollsystem bewegbar ist. Die Segmente
werden zwischen keilförmigen Führungselementen
bewegt, wobei ein Tellerfeder-Stapel die Segmente in Bezug auf die Drehachse
des Rotors radial nach außen und das Spaltkontrollsystem
die Segmente radial in Richtung Rotor bewegen kann. Um den Laufspalt über
den gesamten Umfang der Ummantelung einstellen zu können,
sind jedoch eine hohe Anzahl von Aktuatoren und Sensoreinrichtungen
erforderlich, wodurch das Spalthaltungssystem nicht nur teuer und
schwer ist, sondern auch eine vergleichsweise hohe Ausfallwahrscheinlichkeit
besitzt.
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Die
US 5,104,287 beschreibt
ein Spaltkontrollsystem für eine segmentierte Ummantelung
eines Rotorschaufeln umfassenden Rotors einer Strömungsmaschine.
Jedes Segment der Ummantelung kann mit Hilfe von zwei zugeordneten,
Gewindespindeln umfassenden Verstelleinrichtungen des Spalthaltungssystems
radial in Bezug auf die Drehachse des Rotors bewegt werden. Hierzu
sind die als Verstellgetriebe ausgebildeten Verstelleinrichtungen jeweils
paarweise mit einem als Ring ausgebildeten und konzentrisch um den
Rotor angeordneten Verstellelement gekoppelt. Die Einstellung des
Laufspalts wird durch Verdrehen des Rings vorgenommen, dessen rotatorische
Bewegung durch die Verstelleinrichtungen in eine gleichmäßige
radiale Bewegung der Segmente vom Rotor weg umgewandelt wird. Zwischen
den Segmenten und einem Traggehäuse der Ummantelung sind
wellenförmige Flachfedern angeordnet, die die Segmente
radial nach innen, d. h. in Richtung des Rotors drücken.
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Als
nachteilig ist dabei der Umstand anzusehen, dass die Segmente der
Ummantelung nur gemeinsam radial bewegt werden können,
so dass nur wenigen der oben genannten Einflussgrößen
entgegengewirkt werden kann. Insbesondere Ovalisierungen der Ummantelung
oder ein Versatz zwischen der Drehachse des Rotors und der Mittelachse
der Ummantelung können nicht ausgeglichen werden. Weiterhin
ist nachteilig, dass die Flachfedern und die Verstelleinrichtungen
während des Betriebs der Strömungsmaschine unmittelbar
mit den hohen Rotorraumtemperaturen in Kontakt treten. Bei modernen, als
Gasturbinen ausgebildeten Strömungsmaschinen mit hohen
Gesamtdruckverhältnissen können die Temperaturen
jedoch so hoch werden, dass die Federwirkung der Flachfedern verloren
geht oder die Tragfähigkeit der Verstelleinrichtungen nicht
mehr ausreicht. Zudem besitzt das Spalthaltungssystem eine hohe
Komplexität sowie ein vergleichsweise hohes Gewicht, wodurch
neben den Herstellungs- und Wartungskosten auch die Ausfallwahrscheinlichkeit des
gesamten Spalthaltungssystems erhöht ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Spaltkontrollsystem
der eingangs genannten Art zu schaffen, welches auf konstruktiv
einfache Weise eine Kompensierung möglichst vieler Einflussgrößen
und damit eine zuverlässige und betriebssichere Einstellbarkeit
des Laufspalts unter verschiedenen Betriebszuständen der
zugeordneten Strömungsmaschine ermöglicht. Eine
weitere Aufgabe besteht darin, eine Strömungsmaschine mit
einem derartigen Spaltkontrollsystem sowie ein entsprechendes Verfahren
zum Einstellen eines Laufspalts einer Strömungsmaschine
zu schaffen.
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Die
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Spaltkontrollsystem
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Strömungsmaschine
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 23 sowie durch ein Verfahren
zum Einstellen eines Laufspalts gemäß Patentanspruch
31 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen
angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Spaltkontrollsystems
als vorteilhafte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine
bzw. des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
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Ein
Spaltkontrollsystem, welches auf konstruktiv einfache Weise eine
Kompensierung möglichst vieler Einflussgrößen
und damit eine zuverlässige und betriebssichere Einstellbarkeit
des Laufspalts unter verschiedenen Betriebszuständen der zugeordneten
Strömungsmaschine ermöglicht, ist erfindungsgemäß dadurch
geschaffen, dass jedes Segment der Ummantelung mit wenigstens drei
Verstelleinrichtungen des Spaltkontrollsystems gekoppelt ist. Die
Verstelleinrichtungen können dabei grundsätzlich
einzelne Elemente wie Verstellgetriebe, Aktuatoren, Steuerstangen
und dergleichen oder beliebige Kombination dieser Elemente umfassen bzw.
aus diesen bestehen. Hierdurch ist es im Unterschied zum Stand der
Technik möglich, die Segmente betriebszustandsunabhängig
auf eine Kreisbahn zu zwingen und somit eine stetige und konstante Krümmung
der Segmente zu gewährleisten. Da die Segmente der Ummantelung
auf einen bestimmten Durchmesser ausgelegt sind, können
sich beim rein radialen Bewegen der Segmente – wie im Stand
der Technik beschrieben – sichelförmige Laufspalte
ergeben. Zudem muss bei instationären Betriebszuständen
der Strömungsmaschine mit einem radialen Temperaturgradienten,
der die Krümmung unkontrolliert verändern könnte,
sowie mit Verformungen durch mechanische Beanspruchung (z. B. durch Gaslasten)
gerechnet werden. Damit die Segmente betriebszustandsunabhängig
die gewünschte konstante Krümmung aufweisen, wird
jedes Segment mindestens an drei Umfangsstellen mit jeweils einer der
Verstelleinrichtungen gekoppelt und kann somit einfach auf eine
Kreisbahn mit dem aktuellen Rotordurchmesser zuzüglich
des gewünschten Laufspalts gezwungen werden. In der Regel
hat es sich dabei als vorteilhaft gezeigt, wenn die Verstelleinrichtungen gleichmäßig
beabstandet voneinander angeordnet sind, um eine entsprechend gleichmäßige
Kraftverteilung über das Segment und eine gute Einstellung der
Kreisbogenform sicherzustellen. Der Laufspalt kann mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Spaltkontrollsystems unabhängig
vom Betriebszustand der zugeordneten Strömungsmaschine
optimal eingestellt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine
erhöht und deren Kraftstoffbedarf entsprechend gesenkt
wird. Aufgrund des konstruktiv einfachen Aufbaus des erfindungsgemäßen
Spaltkontrollsystems ergeben sich im Vergleich zu bekannten Spaltkontrollsystemen
zudem erhebliche Kosten- und Gewichtseinsparungen sowie eine vorteilhaft
gesteigerte Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit. Das
Spaltkontrollsystem eignet sich grundsätzlich sowohl für
eine Einzelstufe als auch für mehrere Stufen einer Strömungsmaschine.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zwei Verstelleinrichtungen an entgegengesetzten Randbereichen
ihres zugeordneten Segments angeordnet sind und/oder eine Verstelleinrichtung
in der Mitte ihres zugeordneten Segments angeordnet ist. Indem zwei
Verstelleinrichtungen an den Segmenträndern des Segments angreifen,
kann die gewünschte Kreissegmentbahn unter Einhaltung der
erforderlichen Tangentenbedingungen unter allen Betriebsbedingungen
besonders zuverlässig eingehalten werden. Indem eine Verstelleinrichtung
in der Mitte ihres zugeordneten Segments angeordnet ist kann alternativ
oder zusätzlich ebenfalls eine vorteilhafte Krafteinleitung
in das Segment erzielt werden. Eine betriebszustandsunabhängige
Erzeugung der konstanten, kreisbahnföimigen Krümmung
des Segments ist somit besonders einfach zu verwirklichen.
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Eine
besonders gewichts- und bauraumsparende Anordnung ist in weiterer
Ausgestaltung dadurch gegeben, dass wenigstens zwei benachbarte Segmente
mit einer gemeinsamen Verstelleinrichtung gekoppelt sind. Auf diese
Weise werden zudem eine hohe Dichtigkeit der Ummantelung und ein
entsprechend hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine sichergestellt.
Durch eine Kopplung mittels der Verstelleinrichtung können
benachbarte Randbereiche zweier Segmente vorteilhaft gemeinsam radial bewegt
werden. Auf diese Weise wird ein stetiger Übergang vom
einen Segment zum benachbarten Segment sichergestellt, so dass das
Entstehen sichelförmiger Laufspalte besonders zuverlässig
verhindert wird. Zudem wird hierdurch auch an der Verbindungsstelle
zwischen den Segmenten und der Verstelleinrichtung eine hohe Spielfreiheit
erreicht. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass alle benachbarten
Segmente jeweils mit einer oder mehreren gemeinsamen Verstelleinrichtungen
gekoppelt sind, um eine optimierte Anordnung zu erhalten.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein um den Rotor
anordenbares Verstellelement vorgesehen ist, welches mit wenigstens
einer Verstelleinrichtung gekoppelt und zum Betätigen der Verstelleinrichtung
relativ zu dieser bewegbar ist. Hierdurch ist eine konstruktiv einfache,
kostengünstige und bauraumsparende Anordnung des Verstellelements
im Bereich des Rotors bzw. der Ummantelung ermöglicht.
Zudem können beim Bewegen bzw. Verschwenken des Verstellelements
auftretende Kräfte gut verteilt werden, wodurch die mechanische Stabilität
und Lebensdauer des Verstellelements entsprechend verlängert
wird. Das Verstellelement kann dabei vorzugsweise zumindest im Wesentlichen
als Ring ausgebildet sein.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem das Verstellelement mehrere Teilabschnitte
umfasst, die vorzugsweise gelenkig miteinander verbunden sind. Hierdurch
besitzt das Verstellelement zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrade,
so dass eine zusätzlich verbesserte Einstellbarkeit des
Laufspalts beim Verschwenken des Verstellelements ermöglicht
ist. So kann beispielsweise durch ein Verknicken des Verstellelements,
d. h. durch ein relatives Bewegen der Teilabschnitte zueinander,
eine Ovalisierung der Ummantelung aufgrund von Manöverlasten
und Druckkräften besonders einfach ausgeglichen werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, wenn das Verstellelement zum Einstellen des
Laufspalts axial bezüglich der Drehachse des Rotors verschiebbar und/oder
gegenüber dem Rotor verschwenkbar ist. Im Unterschied zum
Stand der Technik ermöglicht das erfindungsgemäße
Spaltkontrollsystem durch axiales Bewegen des Verstellelements eine über
den Umfang des Rotors gleichmäßige Bewegung der Segmente
und eine entsprechend gleichmäßige Veränderung
des Laufspalts. Alternativ oder zusätzlich kann durch Verschwenken
bzw. Verkippen des Verstellelements gegenüber der Drehachse
des Rotors eine über den Umfang des Rotors ungleichmäßige Bewegung
der Segmente erzeugt werden, so dass auch Ovalisierung der Ummantelung
aufgrund von Manöverlasten und Druckkräften sowie
ein etwaiger Versatz zwischen der Drehachse des Rotors und der Mittelachse
der Ummantelung problemlos berücksichtigt werden können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens eine der Verstelleinrichtungen ausgebildet ist,
eine zumindest überwiegend axiale Bewegung des Verstellelements
in eine zumindest überwiegend radiale Bewegung des zugeordneten
Segments der Ummantelung umzuwandeln. Mit Hilfe der Verstelleinrichtung
können somit große Bewegungen des Verstellelements vorteilhaft
in kleine Bewegungen des zugeordneten Segments und umgekehrt umgewandelt
werden, wodurch eine besonders präzise Einstellbarkeit
des Laufspalts gegeben ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass alle
Verstelleinrichtungen derartig ausgebildet sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens eine Verstelleinrichtung an einem Traggehäuse
festgelegt ist. Hierdurch ergibt sich eine besonders stabile und betriebssichere
Anordnung der Verstelleinrichtung. Das Traggehäuse kann
dabei beispielsweise als Außengehäuse der Strömungsmaschine
ausgebildet sein oder innerhalb eines separaten Außengehäuses anordenbar
sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Traggehäuse ringförmig ausgebildet ist
und/oder außenumfänglich der Ummantelung und/oder
konzentrisch zur Drehachse des Rotors anordenbar ist. Hierdurch
können die mechanischen und konstruktiven Eigenschaften des
Traggehäuses optimal an die Anforderungen der Strömungsmaschine
angepasst werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem wenigstens ein Dichtelement vorgesehen
ist, mittels welchem das Traggehäuse gegenüber
der Ummantelung abzudichten ist. Hierdurch kann ein unerwünschtes
Entweichen oder Rückströmen des Arbeitsmediums
der Strömungsmaschine verhindert werden, wodurch ein entsprechend
hoher Wirkungsgrad sichergestellt ist.
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In
weiterer Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn
die Ummantelung wenigstens eine Leitschaufel umfasst und/oder vorzugsweise mittels
einer Schubstange gegenüber dem Traggehäuse abgestützt
ist. Bei bekannten Spaltkontrollsystemen und Strömungsmaschinen
sind die Leitschaufeln üblicherweise am Traggehäuse
befestigt, so dass auf den inneren Laufspalt kein Einfluss genommen
werden kann. Wenn die Ummantelung die wenigstens eine Leitschaufel
umfasst – z. B. indem die Leitschaufel an der Ummantelung
festgelegt ist – kann die Leitschaufel demgegenüber
vorteilhaft beim Einstellen des Laufspalts des Rotors mitbewegt
werden, wodurch auch der innere Spalt der Strömungsmaschine
einstellbar ist. Durch eine Anordnung der wenigstens einen Leitschaufel
an der Ummantelung werden zudem während des Betriebs der
Strömungsmaschine auftretende Kräfte besonders
gut abgeleitet und verteilt. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass
die wenigstens eine Leitschaufel in Umfangs- und/oder Axialrichtung
am Traggehäuse abgestützt ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem wenigstens eine Sensoreinrichtung vorgesehen
ist, mittels welcher eine Größe des Laufspalts
ermittelbar ist. Dies erlaubt eine besonders einfache, schnelle und
präzise Ermittlung der Größe des Laufspalts,
wodurch eine entsprechend verbesserte Einstellung des Laufspalts
ermöglicht ist. Die Sensoreinrichtung kann grundsätzlich
nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipen arbeiten, beispielsweise
kapazitiv, induktiv, optisch, mit Mikrowellen oder mit Wirbelstrom.
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Indem
die Sensoreinrichtung im Bereich wenigstens einer Verstelleinrichtung
angeordnet ist, ist eine zusätzliche Verbesserung der Einstellbarkeit des
Laufspalts gegeben, da Bewegungen der Ummantelung bzw. des jeweiligen,
der Verstelleinrichtung zugeordneten Segments mittels der Sensoreinrichtung
nahe des Ankoppelbereichs der Verstelleinrichtung erfolgen können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere
Sensoreinrichtung vorgesehen, welche, vorzugsweise gleichmäßig,
voneinander beabstandet angeordnet sind und/oder außenumfänglich
der Ummantelung anordenbar sind. Auf diese Weise ist es möglich,
den Laufspalt mittels der mehreren Sensoreinrichtungen an verschiedenen Umfangspositionen
des Rotors zu ermitteln. Der Laufspalt kann somit besonders präzise
und ortsaufgelöst ermittelt werden, so dass gezielt entsprechend unterschiedliche
Einstellbewegungen der Segmente ausführbar sind und ein
gleichmäßiger Laufspalt erzeugbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens ein mit dem Verstellelement gekoppelter Aktuator
vorgesehen ist, mittels welchem das Verstellelement axial bezüglich
der Drehachse des Rotors verschiebbar oder gegenüber dem
Rotor verschwenkbar ist. Mit Hilfe wenigstens eines Aktuators kann
das Verstellelement besonders einfach und präzise bewegt
werden. Zusammen mit den Verstelleinrichtungen können dabei
vorteilhafterweise große Bewegungen des wenigstens einen
Aktuators in kleine Bewegungen der Segmente oder umgekehrt umgewandelt
werden. Der Aktuator kann grundsätzlich nach unterschiedlichen
physikalischen Prinzipien funktionieren, beispielsweise hydraulisch,
pneumatisch, elektrisch, piezoelektrisch oder magnetisch.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der wenigstens eine Aktuator im Bereich wenigstens einer Verstelleinrichtung
angeordnet ist. Hierdurch ist ein besonders kurzer Kraftübertragungsweg
und eine entsprechend präzise Einstellbarkeit des Laufspalts
gegeben. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein,
dass der Aktuator im Bereich einer Sensoreinrichtung angeordnet
ist. Hierdurch wird aufgrund der geringen räumlichen Distanz
zwischen der Sensoreinrichtung und dem Aktuator eine vereinfachte
und besonders präzise Einstellbarkeit des Laufspalts sichergestellt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem mehrere Aktuatoren vorgesehen sind,
welche, vorzugsweise gleichmäßig, voneinander
beabstandet angeordnet sind und/oder außenumfänglich
der Ummantelung anordenbar sind. Mit Hilfe mehrerer Aktuatoren an
verschiedenen Umfangspositionen kann das Verstellelement besonders
einfach axial bewegt oder verschwenkt werden, wodurch gezielt gleiche
oder unterschiedliche Hubbewegungen der Segmente zum Einstellen
des Laufspalts ausgeführt werden können. Indem
die Aktuatoren im Bereich jeweils zugeordneter Sensoreinrichtungen
angeordnet sind, können weiterhin etwaige gegenseitige
Beeinflussungen mehrerer Aktuatoren und Sensoreinrichtungen vorteilhaft
unterdrückt bzw. verunmöglicht werden.
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Eine
weitere Verbesserung der Einstellbarkeit des Laufspalts ist in weiterer
Ausgestaltung dadurch gegeben, dass wenigstens eine Steuer- und/oder
Regeleinheit vorgesehen ist, welche mit wenigstens einer Sensoreinrichtung
und wenigstens einem Aktuator gekoppelt ist und ausgelegt ist, den wenigstens
einen Aktuator in Abhängigkeit der mittels der wenigstens
einen Sensoreinrichtung ermittelten Größe des
Laufspalts zu steuern bzw. zu regeln.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens zwei Verstelleinrichtungen axial bezüglich
der Drehachse des Rotors angeordnet und gemeinsam mittels des Verstellelements
betätigbar sind. Da die Rotoren mehrerer Stufen einer als
Hochdruckverdichter ausgebildeten Strömungsmaschine ein ähnliches
zeitliches Dehnungsverhalten zeigen speziell wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten
der verwendeten Werkstoffe ähnlich sind –, können
hierdurch die Laufspalte mehrerer Stufen mit der gleichen Bewegung des
Verstellelements eingestellt werden. Dabei kann gegebenenfalls vorgesehen
sein, dass – beispielsweise durch unterschiedliche Hebellängen
an den Verstelleinrichtungen – unterschiedliche Hubbewegungen
an den Segmenten der mehrteiligen Ummantelung verschiedener Stufen
erzielbar ist. Zudem kann bei Bedarf an jeder Stufe eine unterschiedliche Laufspaltgröße
erzeugt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens eine Verstelleinrichtung einen Betätigungshebel
und/oder ein Drucklager und/oder ein Kugelumlaufgewinde und/oder
einen Spindeltrieb und/oder eine Exzenterwelle und/oder eine Biegefeder
und/oder ein Federelement und/oder einen Kniehebel und/oder eine
Rasterung umfasst. Auf diese Weise kann besonders einfach eine variable
Anbindung an das Verstellelement und eine spielfreie Kraftübertragung
vom Verstellelement auf die Verstelleinrichtung sichergestellt werden.
Dies ermöglicht in weiterer Folge eine ebensolche spielfreie
und gegebenenfalls gerasterte Bewegung des jeweils zugeordneten
Segments. Zudem ermöglicht die wenigstens eine Verstelleinrichtung hierdurch
auf konstruktiv einfache Weise, dass eine zumindest überwiegend
axiale Bewegung des Verstellelements in eine kleinere radiale Bewegung
des Segments der Ummantelung umgesetzt wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem wenigstens eine Verstelleinrichtung
ein Dichtelement umfasst, welches vorzugsweise als Spannband und/oder
Balgdichtung und/oder Kolbenring und/oder C-Dichtung ausgebildet
ist. Mit Hilfe eines derartigen Dichtelements kann einerseits die
erforderliche Bewegungsmöglichkeit, beispielsweise eine
Hubbewegung oder thermische Differenzdehnung, bereitgestellt werden,
andererseits können zugleich Räume mit unterschiedlichen
Drücken gegeneinander abgedichtet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens eine Verstelleinrichtung einen mit zumindest einem
Segment gekoppelten Zugbolzen und einen mit dem zumindest einen
Segment gekoppelten Druckbolzen umfasst, wobei der Zugbolzen und
der Druckbolzen relativ zueinander bewegbar und gegeneinander kraftbeaufschlagt
sind. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die gesamte Verstelleinrichtung
in sich vorgespannt und damit spielfrei ist, so dass eine besonders
präzise Spalteinstellung realisierbar ist. Die Kraftbeaufschlagung
zwischen Zug- und Druckbolzen kann beispielsweise mit Hilfe eines
Federelements bewerkstelligt sein, wobei grundsätzlich
beliebige Federbauformen wie Schraubenfedern, Tellerfederpackete
oder dergleichen vorgesehen sein können.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine,
insbesondere eine Gasturbine, mit einem Rotorschaufeln umfassenden
Rotor, einer diesen zumindest abschnittsweise umgebenden, wenigstens
zwei Segmente umfassenden Ummantelung, und einem Spaltkontrollsystem,
mittels welchem ein Laufspalt zwischen dem Rotor und der Ummantelung
einstellbar ist. Um auf konstruktiv einfache Weise eine Kompensierung
möglichst vieler Einflussgrößen und damit
eine zuverlässige und betriebssichere Einstellbarkeit des
Laufspalts unter verschiedenen Betriebszuständen der Strömungsmaschine
zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass das Spaltkontrollsystem gemäß einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Die sich hieraus
ergebenden Vorteile sind aus den entsprechenden Beschreibungen zu
entnehmen und als Vorteile der Strömungsmaschine anzusehen.
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In
weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Spaltkontrollsystem
in einem Gehäuse aufgenommen ist und/oder zumindest einen
Teil des Gehäuses bildet. Die Aufnahme in einem Gehäuse
der Strömungsmaschine erlaubt eine mechanisch stabile,
betriebssichere und bauraumsparende Anordnung des Spaltkontrollsystems.
Alternativ oder zusätzlich kann dabei vorgesehen sein,
dass das Spaltkontrollsystem selbst zumindest einen Teil des Gehäuses
bildet. Hierdurch werden aufgrund von Synergieeffekten erhebliche
Kosten- und Gewichtssenkungen erzielt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem die Ummantelung wenigstens eine Leitschaufel
umfasst. Wenn die wenigstens eine Leitschaufel an der Ummantelung
bzw. an einem Segment vorgesehen ist, werden vorteilhaft auch die
Laufspalte an der Ringrauminnenkontur, das heißt dem Spalt
zwischen dem Rotor und der wenigstens einen Leitschaufel, durch
das Spaltkontrollsystem eingestellt. Die während des Betriebs
der Strömungsmaschine von der wenigstens einen Leitschaufel
erzeugten Kräfte wirken dann auf die Segmente.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die wenigstens zwei Segmente der Ummantelung, vorzugsweise mittels
wenigstens einer Verstelleinrichtung des Spaltkontrollsystems, miteinander
gekoppelt sind. Auf diese Weise werden eine hohe Dichtigkeit der Ummantelung
und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine
sichergestellt. Durch eine Kopplung mittels wenigstens einer gemeinsamen
Verstelleinrichtung können benachbarte Bereiche zweier
Segmente vorteilhaft gemeinsam radial bewegt werden. Auf diese Weise
wird zudem ein stetiger Übergang von einem Segment zum
benachbarten Segment sichergestellt, so dass das Entstehen sichelförmiger
Laufspalte besonders zuverlässig verhindert wird. Zudem
wird hierdurch auch an der Verbindungsstelle zwischen den Segmenten
und der Verstelleinrichtung eine hohe Spielfreiheit erreicht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens ein Segment ein Versteifungselement umfasst, mittels welchem
eine Krümmung des Segments in Abhängigkeit der
Größe des Laufspalts einstellbar ist. Mit Hilfe
eines derartigen Versteifungselements kann die Steifigkeitsverteilung
des Segments der Ummantelung so gewählt werden, dass unter
allen Betriebzuständen der Strömungsmaschine eine
konstante Krümmung erzeugbar ist. Damit wird bei der Einstellung
der Radialposition des Segments zumindest nahezu eine ideale Kreisform
beibehalten. Das Versteifungselement kann dabei als Rippe mit variabler
radialer Bauhöhe oder durch Rippen mit abnehmender Breite
zu den Segmenträndern hin ausgebildet sein, wodurch die
Steifigkeitsverteilung konstruktiv einfach und kostengünstig
an das jeweilige Anforderungsprofil der Strömungsmaschine
anpassbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Spaltkontrollsystem im Bereich einer Niederdruckverdichterstufe und/oder
einer Hochdruckverdichterstufe und/oder einer Niederdruckturbinenstufe
und/oder einer Hochdruckturbinenstufe der Strömungsmaschine
angeordnet ist. Eine derartige Anordnung erlaubt eine besonders
variable Ausgestaltung der Strömungsmaschine sowie einen
besonders hohen, zumindest weitgehend betriebzustandsunabhängigen
Wirkungsgrad.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem die Ummantelung zwei als Halbringe
ausgebildete Segmente und/oder höchstens acht, besonders
bevorzugt höchstens sechs Segmente umfasst. Auf diese Weise
wird im Gegensatz zum Stand der Technik die Anzahl der Bauteile
und dadurch der potenziellen Leckagestellen klein gehalten. Neben
einer Verringerung der Herstellungskosten der Strömungsmaschine
wird hierdurch auch die Montage- und Wartungsfreundlichkeit erheblich
verbessert.
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In
weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jedes Segment der Ummantelung
mit wenigstens drei voneinander beabstandeten Verstelleinrichtungen
des Spaltkontrollsystems gekoppelt ist. Hierdurch wird die Darstellung
einer kontanten Krümmung jedes Segments besonders zuverlässig
sichergestellt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Einstellbarkeit
einer konstanten Krümmung durch eine entsprechende geometrische
Gestaltung und/oder eine Steifigkeitsverteilung der Segmente gefördert wird.
Hierzu kann beispielsweise eine Querschnittskontur jedes Segments
so gewählt sein, dass die zweite Ableitung der Biegelinie
einen konstanten Wert ergibt und dementsprechend unter allen Betriebszuständen
der Strömungsmaschine eine konstante Krümmung
erzeugbar ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem mehrere Ummantelungen unter Ausbildung
mehrerer Laufspalte entlang der Drehachse des Rotors angeordnet und
die Laufspalte mittels des Spaltkontrollsystems zwischen dem Rotor
und den Ummantelungen gemeinsam einstellbar sind. Hierdurch können
die Laufspalte mehrerer Stufen der Strömungsmaschine vorteilhaft
gemeinsam mittels des Spaltkontrollsystems eingestellt werden, wodurch
signifikante Kosten- und Gewichtseinsparungen gegeben sind.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen
eines Laufspalts zwischen einem Rotorschaufeln umfassenden Rotor
einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine,
und einer diesen zumindest abschnittsweise umgebenden, wenigstens
zwei Segmente umfassenden Ummantelung. Um eine Kompensierung möglichst vieler
Einflussgrößen und damit eine zuverlässige und
betriebssichere Einstellbarkeit des Laufspalts unter verschiedenen
Betriebszuständen der Strömungsmaschine zu ermöglichen,
umfasst das Verfahren erfindungsgemäß zumindest
die Schritte Ermitteln einer Größe des Laufspalts
mittels wenigstens einer Sensoreinrichtung und Übermitteln
der Größe an eine Steuer- und/oder Regeleinheit,
Steuern bzw. Regeln wenigstens eines Aktuators mittels der Steuer-
und/oder Regeleinheit in Abhängigkeit der ermittelten Größe
des Laufspalts, axiales Verschieben und/oder Verschwenken bezüglich
einer Drehachse des Rotors eines um den Rotor angeordneten Verstellelements
mittels des wenigstens einen Aktuators, Betätigen wenigstens
einer Verstelleinrichtung mittels des Verstellelements und radiales Bewegen
bezüglich der Drehachse des Rotors wenigstens eines Segments
der Ummantelung mittels der wenigstens einen Verstelleinrichtung.
Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind bereits aus den vorhergehenden
Beschreibungen des Spaltkontrollsystems bzw. der Strömungsmaschine
zu entnehmen Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Strömungsmaschine
bzw. ein Spaltkontrollsystem gemäß einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele verwendet wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Größe des Laufspalts im Fall einer fehlerhaften
Sensoreinrichtung mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit anhand
der übermittelten Größe einer weiteren
Sensoreinrichtung ermittelt und der wenigstens eine Aktuator in
Abhängigkeit der ermittelten Größe gesteuert
bzw. geregelt wird. Hierdurch kann durch eine entsprechende Steuer-
bzw. Regellogik eine erhöhte Ausfallsicherheit erzielt
werden, indem der wenigstens eine Aktuator in Abhängigkeit
der Messsignale der weiteren, intakten Sensoreinrichtung gesteuert
wird.
-
Die
vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten
Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
-
1 ein
schematisches Liniendiagramm einer zeit- und lastabhängigen
Radiusänderung eines Rotors und einer diesen umgebenden
Ummantelung einer Strömungsmaschine;
-
2 eine
schematische Perspektivansicht eines Spaltkontrollsystems gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
-
3 eine
schematische Schnittansicht des in 2 gezeigten
Spaltkontrollsystems, wobei neben einer Durchmesseränderung
und einem Mittelachsenversatz zusätzlich eine Ovalisierung
der Ummantelung auftritt;
-
4 eine
schematische Perspektivansicht dreier Segmente der in 2 gezeigten
Ummantelung, wobei jedes Segment mit mehreren Verstelleinrichtungen
des Spaltkontrollsystems gekoppelt ist;
-
5 mehrere
Ausführungsbeispiele von mit Versteifungselementen versehenen
Segmenten der Ummantelung;
-
6 eine
schematische Perspektivansicht eines mehrere Leitschaufeln umfassenden
Segments, welches mittels einer Schubstange gegenüber einem
Traggehäuse abgestützt ist;
-
7 ein
Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung in schematischer
Perspektiv- und Seitenansicht;
-
8 ein
weiteres Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung in
schematischer Perspektiv- und Seitenansicht;
-
9 eine
schematische Perspektivansicht des Spaltkontrollsystems gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel;
-
10 eine
schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht einer
mit dem in 9 gezeigten Spaltkontrollsystem
versehenen Strömungsmaschine;
-
11 eine
schematische und teilgeschnittene Perspektivansicht einer in 9 gezeigten
Verstelleinrichtung; und
-
12 eine
schematische seitliche Schnittansicht der Verstelleinrichtung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
-
1 zeigt
ein schematisches Liniendiagramm einer zeit- und lastabhängigen
Radiusänderung eines Rotors und einer diesen umgebenden Ummantelung
einer Strömungsmaschine und wurde bereits vorstehend erläutert.
Um unabhängig vom Betriebszustand der Strömungsmaschine
stets die optimale Laufspaltgröße Δropt und damit einen optimalen Wirkungsgrad
zu erzielen, ist es wie beschrieben erforderlich, den mit der Linie ϕ2
charakterisierten Ist-Radius der Ummantelung des Rotors mit Hilfe eines
Spaltkontrollsystems an den mit der gestrichelt dargestellte Linie ϕ3
charakterisierten Soll-Radius anzupassen.
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2 zeigt
eine schematische Perspektivansicht eines Spaltkontrollsystems gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel. Das Spaltkontrollsystem dient dabei
zum Einstellen des Laufspalts L zwischen einem Rotorschaufeln 10 (s. 10)
umfassenden Rotor 12 (s. 3) einer
Strömungsmaschine 14 (s. 10), insbesondere
einer Gasturbine, und einer diesen zumindest abschnittsweise umgebenden
Ummantelung 18. Um einen möglichst kleinen Laufspalt L
unter Berücksichtigung aller relevanten Einflussgrößen
zu erzielen, ist es notwendig, dass sich die Ummantelung 18 über
dem Rotor 12 zu jedem Zeitpunkt an den Durchmesser bzw.
den Radius und die Lage des Rotors 12 bzw. seiner Drehachse
D anpassen kann. Zu diesem Zweck weist die Ummantelung 18 im
vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Segmente 16a–d
(Liner) auf, die zumindest weitgehend unabhängig voneinander
bewegbar sind. Das Spaltkontrollsystem umfasst vorliegend acht,
als Verstellgetriebe ausgebildete Verstelleinrichtungen 20,
welche jeweils mit wenigstens einem Segment 16 der Ummantelung 18 gekoppelt
sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtungen 20 als Aktuatoren,
Steuerstangen oder dergleichen ausgebildet sind bzw. Aktuatoren,
Steuerstangen oder äquivalente Elemente umfassen. Mittels
der Verstelleinrichtungen 20 können die Segmente 16a–d
zum Einstellen des Laufspalts radial bezüglich einer Drehachse
D des Rotors 12 bewegt werden. Weiterhin umfasst das Spaltkontrollsystem
ein um den Rotor 12 anordenbares Verstellelement 22,
welches vorliegend im Wesentlichen als Ring ausgebildet ist und zwei
gelenkig miteinander verbundene Halbringe als Teilabschnitte 22a, 22b umfasst.
Das Verstellelement 22 ist mit den Verstelleinrichtungen 20 gekoppelt
und kann zum Betätigen der Verstelleinrichtungen 20 und damit
zum Einstellen des Laufspalts L axial bezüglich der Drehachse
D des Rotors 12 verschoben oder gegenüber dem
Rotor 12 verschwenkt werden. Entsprechend sind die Verstelleinrichtungen 20 ausgebildet,
eine zumindest überwiegend axiale Bewegung des Verstellelements 22 in
eine zumindest überwiegend radiale Bewegung der jeweils
zugeordneten Segmente 16a–d der Ummantelung 18 umzuwandeln.
Die Segmente 16a–d sind innerhalb eines konzentrisch
zur Drehachse D des Rotors 12 angeordneten, ringförmig
ausgebildeten Traggehäuses 24 angeordnet. Das
Traggehäuse 24 kann dabei als Außengehäuse
der Strömungsmaschine 14 ausgebildet sein oder
innerhalb eines separaten Außengehäuses liegen.
Die Verstelleinrichtungen 20 – und damit mittelbar
das Verstellelement 22 – sind am Traggehäuse 24 festgelegt.
Zusätzlich sind im Nahbereich jeder zweiten Verstelleinrichtung 20 insgesamt
vier Sensoreinrichtungen 26a–d gleichmäßig
voneinander beabstandet am Traggehäuse 24 festgelegt,
mittels welchen eine Größe des Laufspalts L an
unterschiedlichen Umfangspositionen ermittelbar ist. Zwischen dem
Traggehäuse 24 und den radial verschiebbaren Segmenten 16a–d
sind Dichtelemente (nicht gezeigt) angeordnet. Die Dichtelemente
können als Dichtungsplättchen (sogenannte „Leaf
Seals”) ausgebildet sein, wobei auch andere Dichtungstypen,
beispielsweise Bürstendichtungen oder C-Ringe, vorgesehen
sein können. Die Dichtelemente 40 verhindern eine
traggehäuseseitige Umströmung der Segmente 16a–d
in axialer Richtung.
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Das
Spaltkontrollsystem umfasst weiterhin vier mit dem Verstellelement 22 gekoppelte
Aktuatoren 28a–d, mittels welchem das Verstellelement 22 axial
bezüglich der Drehachse D des Rotors 12 verschiebbar
oder gegenüber dem Rotor 12 verschwenkbar ist.
Die Aktuatoren 28a–d sind dabei gleichmäßig
voneinander beabstandet außenumfänglich der Ummantelung 18 sowie
jeweils im Bereich einer Verstelleinrichtung 20 angeordnet.
Das Spaltkontrollsystem weist Steuer- und/oder Regeleinheit 30 auf,
welche mit den Sensoreinrichtungen 26a–d und den
Aktuatoren 28a–d gekoppelt ist. Die Steuer- und/oder
Regeleinheit 30 ist ausgelegt, die Aktuatoren 28a–d
in Abhängigkeit der mittels der Sensoreinrichtungen 26a–d
ermittelten Größe Δr des Laufspalts L
zu steuern bzw. zu regeln.
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Die
von den Sensoreinrichtungen 26a–d gelieferten
Steuersignale werden hierzu in der Steuer- und/oder Regeleinheit 30 verarbeitet.
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Von
der Steuer- und/oder Regeleinheit 30 erhält der
jeweilige, der betreffenden Sensoreinrichtung 26a–d
zugeordnete Aktuator 26a–d im Normalfall ein Signal,
das Verstellelement solange axial zu bewegen, bis durch die betreffende
Sensoreinrichtung 26a–d die optimale Größe Δropt des Laufspalts L ermittelt werden kann.
Das Gleiche geschieht an den anderen Sensorpositionen. Dadurch wird
es möglich, an verschiedenen Umfangspositionen unterschiedliche
Hubbewegungen der Segmente 16a–d auszuführen.
Die Sensoreinrichtungen 26a–d können
nach verschieden physikalischen Prinzipen arbeiten, beispielsweise
kapazitiv, induktiv, optisch, mit Mikrowellen oder mit Wirbelstrom.
Gleiches gilt für die Aktuatoren 28a–d,
die beispielsweise hydraulisch, pneumatisch, elektrisch, piezoelektrisch
oder magnetisch betreibbar sein können.
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Im
Fehlerfall, z. B. beim Ausfall einer Sensoreinrichtung 26a–d,
kann über eine entsprechende Fehlerlogik durch die vorzugsweise
redundant ausgebildete Steuer- und/oder Regeleinheit 30 derjenige Aktuator 26a–d,
dessen normalerweise zugeordnete Sensoreinrichtung 26a–d
ausgefallen ist, dennoch angesteuert werden. Hierzu kann beispielsweise
aus den Signalen der verbliebenen funktionsfähigen Sensoreinrichtung 26a–d
ein entsprechendes Steuersignal abgeleitet werden.
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Bei
einer über den Umfang gleichmäßigen Änderung
des Laufspalts wird das Verstellelement 22 von allen Aktuatoren 28a–d
axial bezüglich der Drehachse D des Rotors 12 verschoben.
Bei einem Versatz der Mittelachse M des Traggehäuses 24 gegenüber
der Drehachse D wird das Verstellelement 22 hingegen an
den einzelnen Aktuatorpositionen unterschiedlich in axialer Richtung
bewegt. Das Verstellelement 22 führt dadurch eine
räumliche Schwenkbewegung gegenüber dem Rotor 12 bzw.
seiner Drehachse D (Taumelbewegung) aus. Hierdurch kann ein konstanter
Laufspalt L über den ganzen Umfang der Ummantelung 18 eingestellt
werden. Ein besonderer Vorteil der Verstelleinrichtungen 20 liegt
dabei darin, dass sie vergleichsweise große Bewegungen
der Aktuatoren 28a–d in vergleichsweise kleine
Bewegungen der Segmente 16a–d umwandeln können,
wodurch der Laufspalt L besonders präzise einstellbar ist.
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Grundsätzlich
gilt, dass bei einer Rotation des Rotors 12 ein Punkt auf
einer Spitze einer Rotorschaufel 10 eine ideale Kreisbahn
beschreibt. Ein Kreis ist eindeutig bestimmt, wenn drei Raumpunkte bekannt
sind, die auf unterschiedlichen Umfangspositionen in der Kreisebene
liegen. Wenn man zunächst den Fall einer Ovalisierung der
Ummantelung 18 vernachlässigt, genügen
insgesamt drei Sensoreinrichtungen 26 und drei Aktuatoren 28,
die mit einem einteiligen Verstellelement 22 verbunden
sind, um in unterschiedlichen Betriebszuständen der Strömungsmaschine
einen über den Umfang der Ummantelung 18 konstanten
Laufspalt L einzustellen.
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3 zeigt
eine schematische Schnittansicht des in 2 gezeigten
Spaltkontrollsystems, wobei neben einer Änderung des Durchmessers ϕ bzw.
des Radius des Rotors 12 zusätzlich ein Versatz zwischen
der Mittelachse M und der Drehachse D sowie eine Ovalisierung der
Ummantelung 18 auftritt. Die Ummantelung 18 weist
dadurch ihrerseits einen minimalen Durchmesser ϕmin sowie einen maximalen Durchmesser ϕmax auf, wodurch der Laufspalt L über den
Umfang variiert und unterschiedliche Größen Δra-d aufweist.
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Zum
Einstellen eines konstanten Laufspalts L umfasst das bereits in 2 erläuterte
Spaltkontrollsystem die vier Aktuatoren 28a–d
und die vier Sensoreinrichtungen 26a–d. Jeder
der Aktuatoren 28a–d bewegt das Verstellelement 22 unterschiedlich weit
entlang der Drehachse D, wodurch eine Schwenkbewegung erzeugt wird.
Dies wird durch den mehrteiligen und gelenkigen Aufbau des Verstellelements 22 ermöglicht.
Durch ein lineares Verschieben des Verstellelements 22 entlang
der Mittelachse M bzw. der Drehachse D kann eine gleichmäßige
Radiusänderung der Ummantelung 18 erzielt werden. Durch
ein Kippen des Verstellelements 22 gegenüber der
Mittelachse M kann ein Mittellinienversatz ausgeglichen werden.
Mit den vier Akuatoren 28a–d kann schließlich
auch durch „Verknicken” des Verstellelements 22,
d. h. durch relatives Verschwenken der Teilabschnitte 22a, 22b zueinander,
die Ovalisierung vollkommen ausgeglichen werden, wenn die gelenkige
Verbindung der Teilabschnitte 22a, 22b des Verstellelements 22 in
einer durch die Triebwerksachse T und einer Hauptachse H der entstehenden
Querschnittsellipse gebildeten Ebene liegen. Bei beliebiger Lage
der Hauptachsen H der Querschnittsellipsen wird die Ovalisierung
nur teilweise ausgeglichen. Wenn auch bei beliebiger Lage der Querschnittsellipsen
die Ovalisierung zumindest annähernd vollkommen ausgeglichen
werden soll, so hat sich eine weitere Unterteilung des Verstellelements 22 z.
B. in drei Teilabschnitte oder die Verwendung von sechs Aktuatoren 28 als
vorteilhaft gezeigt. Da aber die Ovalisierung der Ummantelung 18 normalerweise
klein im Vergleich zum Versatz zwischen der Mittelachse M und der
Drehachse D ist, hat sich ein Spaltkontrollsystem mit vier Aktuatoren 28 in
aller Regel als vollkommen ausreichend gezeigt. Zusammenfassend
ist das erfindungsgemäße Spaltkontrollsystem in
der Lage, den Laufspalt L über dem Umfang der Ummantelung 18 mit
unterschiedlichen Verstellwegen einzustellen. Dadurch kann sowohl
auf Änderungen des Durchmessers ϕ bzw. des Radius´ r
des Rotors 12 als auch auf einen Versatz zwischen der Mittelachse M
der Ummantelung 18 und der Drehachse D des Rotors 12 als
auch auf eine Ovalisierung der Ummantelung 18 reagiert
werden.
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4 zeigt
eine schematische Perspektivansicht dreier Segmente 16a–c
der in 2 gezeigten Ummantelung 18, wobei jedes
Segment 16a–c mit mehreren Verstelleinrichtungen 20 des
Spaltkontrollsystems gekoppelt ist. Die Segmente 16a–c
werden üblicherweise für einen bestimmten Durchmesser
hergestellt. Würden die relativ großen Segmente 16a–d
einfach auf einen anderen Radius verschoben, ergäben sich
aufgrund ihrer Krümmung, sichelförmige Laufspalte
L. Zudem muss bei instationären Betriebszuständen
der Strömungsmaschine mit einem radialen Temperaturgradienten,
der die Krümmung unkontrolliert verändert, sowie
mit Verformungen durch mechanische Beanspruchung (z. B. durch Gaslasten)
gerechnet werden. Zur Sicherstellung der geforderten Krümmung
der Segmente 16a–d wird daher jedes Segment 16a–d
an drei Umfangsstellen mit einer Verstelleinrichtung 20 gekoppelt
und durch diese auf eine Kreisbahn mit dem aktuellen Rotordurchmesser
zuzüglich des gewünschten Laufspalts L gezwungen.
Dabei ist jeweils eine Verstelleinrichtung 20 zwei Segmenten 16 zugeordnet.
Die Segmente 16a–d sind in radialer Richtung mit
ihren jeweils benachbarten Segmenten 16 an den Segmenträndern
formschlüssig verbunden. Der Formschluss wird durch einen
Zugbolzen 31 und eine federbelastete Druckplatte 33 der
Verstelleinrichtung 20 erzeugt. Damit wird auch an der
Verbindungsstelle der Segmente 16a–d mit den jeweiligen
Verstelleinrichtungen 20 Spielfreiheit erreicht. In Umfangsrichtung sind
die Segmente 16a–d zueinander verschiebbar, was
einerseits wegen der im Betrieb auftretenden unterschiedlichen Temperaturen
zwischen den Segmenten 16a–d und dem Traggehäuse 24 und
anderseits aufgrund der Möglichkeit die Segmente 16a–d radial
zu verschieben notwendig ist (eine radiale Verschiebung aller Segmente 16a–d
um z. B. 0,5 mm ergibt eine Änderung der Umfangslänge
von 3,14 mm). Zwischen den Angriffspunkten der Verstelleinrichtungen 20 an
den Segmenten 16a–d ist die Steifigkeitsverteilung
so gewählt, dass unter allen Betriebzuständen
eine konstante Krümmung vorliegt.
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5 zeigt
hierzu mehrere Ausführungsbeispiele von jeweils mit Versteifungselementen 32 versehenen
Segmenten 16. Mit Hilfe der Versteifungselemente 32 wird
bei einer Variation der Radialposition der Segmente 16a–d
nahezu eine ideale Kreisform beibehalten. Die Versteifungselemente 32 können dabei
einteilig mit den Segmenten 16 ausgebildet sein. Mögliche
Ausgestaltungen der Versteifungselemente 32 umfassen beispielsweise
Variation der radialen Bauhöhe des Segments 16 oder
Rippen mit abnehmender Breite zu den Segmenträndern hin. Auf
diese Weise lässt sich die Steifigkeitsverteilung der Segmente 16 optimal
anpassen.
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6 zeigt
eine schematische Perspektivansicht eines mehrere Leitschaufeln 34 umfassenden
Segments 16, welches mittels einer an ihren Enden gelenkig
gelagerten Schubstange 36 mittelbar gegenüber
dem Traggehäuse 24 (nicht dargestellt) der Strömungsmaschine
abgestützt ist. Dabei fungiert vorliegend ein Befestigungselement
der Verstelleinrichtung 20 gleichzeitig als Stützelement
für die Schubstange 36, so dass auftretende Kräfte
in das Traggehäuse eingeleitet werden. Die Leitschaufeln 34 können
als separate Bauteile oder als integraler Bestandteil der Segmente 16 ausgebildet
sein. Alternativ oder zusätzlich können die Leitschaufeln 34 am Traggehäuse 24 festgelegt
sein. Wenn die Leitschaufeln 34 wie gezeigt an den Segmenten 16 befestigt sind,
werden auch die Laufspalte an der Ringrauminnenkontur, das heißt
der Laufspalt zwischen dem Rotor 12 und den Leitschaufeln 34,
durch das Spaltkontrollsystem eingestellt. Die von den Leitschaufel 34 erzeugten
Kräfte wirken dann auf das Segment 16. Damit das
Spaltkontrollsystem nicht nachteilig durch diese Kräfte
beeinflusst wird, ist es sinnvoll die Kräfte mittels der
Schubstange 36 abzuleiten und zu verteilen.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung 20 in
schematischer Perspektiv- und Seitenansicht. Die Verstelleinrichtung 20 ermöglicht ebenfalls
die Umwandlung einer überwiegend axialen Bewegung des Verstellelements 22 in
eine kleine radiale Bewegung des zugeordneten Segments 16. Die
Verstelleinrichtung 20 umfasst eine Biegefeder 38,
welche auf das Traggehäuse 24 montiert ist und durch
einen mit dem Verstellelement 22 gekoppelten Kniehebelmechanismus 42 verformt
werden kann. Eine an die Biegefeder 38 angehängte
Traverse 44 überträgt die Bewegung auf
das Segment 16.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung 20 ist
in schematischer Perspektiv- und Seitenansicht in 8 gezeigt.
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Hierbei
wird die radiale Bewegung der Traverse 44 und damit des
Segments 16 durch Verdrehen von mit dem Verstellelement 22 gekoppelten
Exzenterwellen 46 erzeugt.
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9 zeigt
eine schematische Perspektivansicht des Spaltkontrollsystems gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel. Der grundsätzliche
Aufbau ist dabei bereits aus der Beschreibung von 2 bekannt.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst das
vorliegende Spaltkontrollsystem mehrere Gruppen von jeweils drei, über
eine Koppelstange 48 miteinander gekoppelten Verstelleinrichtungen 20,
welche jeweils axial bezüglich der Drehachse D des Rotors 12 angeordnet
und gemeinsam mittels des Verstellelements 22 betätigbar
sind. Entsprechend umfasst die Ummantelung 18 mehrere Gruppen
von Segmenten 16, die ebenfalls entlang der Drehachse D
des Rotors 12 angeordnet sind. Das Spalthaltungssystem
eignet sich daher insbesondere für mehrstufige Strömungsmaschinen.
Da die Rotordehnungen der Stufen in einem Hochdruckverdichter ein ähnliches
zeitliches Verhalten zeigen – speziell wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten der
verwendeten Werkstoffe ähnlich gewählt sind – ist
es in Verbindung mit einer Optimierung des zeitlichen Dehnverhaltens
des Traggehäuses 24 (geometrische Gestaltung,
Masseverteilung, Isolierung und dergleichen) möglich, das
Spaltverhalten der Stufen weitestgehend aneinander anzugleichen.
Durch unterschiedliche Hebellängen an den Verstelleinrichtungen 20 lassen
sich bei gleicher Axialbewegung des Verstellelements 22 unterschiedliche
Hubbewegungen an den Segmenten 16 der verschiedenen Stufen
erzielen. Zudem kann an jeder Stufe ein anderer Laufspalt L eingestellt
werden. Damit wird es möglich, durch die Laufspaltgrößenermittlung
an einer Stufe die Laufspalte L der anderen Stufen mit derselben
Aktuatorbewegung einzustellen.
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10 zeigt
eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht
einer mit dem in 9 gezeigten Spaltkontrollsystem
versehenen, mehrstufigen Strömungsmaschine 14.
Die Strömungsmaschine 14 bzw. das Spaltkontrollsystem werden
im Folgenden in Zusammenschau mit 11 und 12 erläutert
werden. 11 zeigt hierbei eine schematische
und teilgeschnittene Perspektivansicht einer in 10 gezeigten
Verstelleinrichtung 20, während in 12 schließlich
eine schematische seitliche Schnittansicht der Verstelleinrichtung 20 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Der allgemeine
Aufbau der Strömungsmaschine 14 ist dabei aus
dem Stand der Technik bekannt. Die drei in 10 erkennbaren
Verstelleinrichtungen 20 sind entlang der Drehachse D des
Rotors 12 angeordnet und an einem Traggehäuse 24 der
Strömungsmaschine 14 festgelegt. Aufgrund eines
vergleichbaren Ausdehnungsverhaltens werden die drei Verstelleinrichtungen 20 gemeinsam
angesteuert und betätigt. Grundsätzlich kann jedoch
vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtungen 20 einzeln
oder gruppenweise gesteuert bzw. geregelt betätigt werden.
Das Spaltkontrollsystem kann dabei grundsätzlich sowohl
in Verdichter- als auch in Turbinenstufen angeordnet sein. Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn das Spaltkontrollsystem im Bereich hinterer Stufen
der Strömungsmaschine angeordnet ist, da bei diesen aufgrund
der kleinen Schaufeln das Verhältnis zwischen Laufspalt
und Schaufelgröße besonders relevant ist.
-
Jede
Verstelleinrichtung 20 ist mit Dichtelementen 52 abgedichtet.
Zwei Liner-Segmente 16a, 16b werden von einem
Federelement 54 (z. B. Schraubenfeder, Tellerfederpacket
etc.) über eine Druckhülse 80 und die
Druckplatte 33 radial nach innen in Richtung Rotor 12 gedrückt.
Damit kein Segment 16 in den Rotor 12 bewegt wird,
kann jedes Segment 16 über ein Gewinde 58,
welches im in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel
als Kugelumlaufgewinde und im in 12 gezeigten
Ausführungsbeispiel als Bewegungsgewinde ausgebildet ist,
radial vom Rotor 12 wegbewegt werden. Die Kraftübertragung
erfolgt jeweils über ein Drucklager 60 auf eine
Ankerplatte 62 und den Zugbolzen 31. Dieser ist
formschlüssig mit dem Segment 16 bzw. den Segmenten 16a, 16b verbunden,
wobei in 12 eine Gleitstelle zwischen
dem Segment 16b und dem Zugbolzen 31 beispielhaft
mit Pfeil XII gekennzeichnet ist. Die beschriebene Anordnung bietet den
Vorteil, dass durch die Federelemente 54 die gesamte Verstelleinrichtung 20 verspannt
und damit spielfrei ist.
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Das
Gewinde
58 bietet in Kombination mit dem Drucklager
60 den
Vorteil, dass die Verstelleinrichtung
20 einen geringen
Verschleiß und eine geringe innere Reibung besitzt. Im
Gegensatz zum aus der
US 5,104,287 bekannten
Spaltkontrollsystem sind die Federelemente
54 vorliegend
in die Verstelleinrichtung
20 integriert und außerhalb
des Außengehäuses
50 und damit im vergleichsweise
kalten Bereich der Strömungsmaschine
14 angeordnet. Zwischen
dem Außengehäuse
50 und der Verstelleinrichtung
20 sowie
innerhalb der Verstelleinrichtung
20 sind mehrere Dichtelemente
52 angeordnet. Diese
geben den Bauteilen die erforderliche Bewegungsmöglichkeit
(Hubbewegung und thermische Differenzdehnung) und dichten zugleich
Räume mit unterschiedlichen Drücken gegeneinander
ab. Alternativ können auch als Kolbenringe, C-Dichtungen, Faltenbälge
oder dergleichen ausgebildete Dichtelemente
52 vorgesehen
sein.
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In 12 ist
ein Betätigungshebel 66 der Verstelleinrichtung 20 erkennbar,
welche einerseits mit dem Verstellelement 22 gekoppelt
und andererseits drehfest mit dem Gewinde 58 verbunden
ist, um die zumindest im Wesentlichen axiale Bewegung des Verstellelements 22 in
eine kleinere radiale Bewegung umzuwandeln. Eine grundsätzlich
optionale Rasterung erleichtert in manchen Anwendungen die gewünschte
Einstellbarkeit des Laufspalts L. Wie bereits vorstehend erläutert,
funktioniert die Verstelleinrichtung 20 gemäß dem
gezeigten Ausführungsbeispiel in der Art eines Spindeltriebs.
Die Verstelleinrichtung 20 ist am Traggehäuse 24 der
Strömungsmaschine durch Schrauben, Schweißen oder
dergleichen befestigt.
-
In 12 ist
weiterhin eine Verbindungshülse 82 erkennbar.
Das Federelement 54 (Schraubenfeder, Tellerfederpacket
etc.) drückt die Segmente 16a, 16b über
einen Druckbolzen 80 und die Druckplatte 33 an
den Segmenträndern oder in der Segmentmitte (nicht gezeigt)
radial in Richtung der Triebwerksachse, wobei sich das Federelement 54 am Bolzenteil
des Gewindes 58 abstützt. Das Mutterteil 58a des
Gewindes 58 wirkt über ein Drucklager auf die
Ankerplatte 62 und über den Zugbolzen 31 auf
die Segmente 16a, 16b bzw. im Fall einer Anordnung
in einer Segmentmitte auf ein einzelnes Segment 16. Der
Zugbolzen 31 wirkt dem Druckbolzen 80 entgegen,
wodurch die gesamte Verstelleinrichtung 20 in sich vorgespannt
und damit spielfrei ist. Das Verdrehen des Mutterteils 58a bewirkt
eine radiale Verschiebung der Ankerplatte 62 und der mittelbar
mit dieser verbundenen Segmente 16a, 16b. An den
Gleitstellen (Pfeil XII) zwischen Verstelleinrichtung 20 und Gehäusen
(Außengehäuse 50 bzw. Traggehäuse 24) sowie
innerhalb der Verstelleinrichtung 20 sind verschiedene
Dichtelemente 52 (Kolbenringe, C-Ringe, Faltenbälge,
etc.) vorgesehen. Die Verbindungshülse 82, das
Gewinde 58 und die Ankerplatte 62 bilden dabei
vorliegend ein Verstelleinrichtungsgehäuse 90.
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Die
in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von
Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung
von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch
im Rahmen von Abweichungen – beispielsweise aufgrund von
Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und
dergleichen – als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4329114 [0008]
- - GB 2108591 A [0010]
- - GB 2099515 A [0012]
- - US 5104287 [0013, 0082]