DE10233881A1 - Durch thermische Effekte radial veränderbares Ringelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ringelement mit einem außeren Ringkörper und einem zentrisch zu diesem angeordneten inneren Ringkörper, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Verbindungselementen, welche jeweils am äußeren Bereich des inneren Ringkörpers und am inneren Bereich des äußeren Ringkörpers gelagert sind.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Ringelement, welches durch thermische Effekte hinsichtlich seiner radialen Abmessungen veränderbar ist. Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Ringelement mit einem äußeren Ringkörper und einem zentrisch zu diesem angeordneten inneren Ringkörper.
• Insbesondere bei Gasturbinen ergeben sich unterschiedlichste Einsatzbedingungen, bei welchen Ringelemente verwendet werden, die sehr großen Temperaturwechseln unterworfen sind. Diese sind z.B. Turbinenliner, die als Abdeckungen, Dichtungselemente oder Ähnliches im Turbinengehäuse montiert sind. Ein anderes Einsatzgebiet besteht beispielsweise bei akkustischen Auskleidungen. Der Liner muss aufgrund seiner thermischen Beanspruchung so ausgebildet sein, dass er bei Erwärmung expandieren und bei Abkühlung kontrahieren kann. Der Stand der Technik zeigt hierzu segmentierte Ausgestaltungen derartiger Ringelemente. Dabei erweist es sich als nachteilig, dass zur segmentierten Ausgestaltung ein hoher Fertigungsaufwand erforderlich ist und, bedingt durch die auftretenden Spalte, Leckageverluste kaum zu vermeiden sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Montage und Aufhängung der bekannten Ringelement-Segmente technisch aufwendig und damit auch sehr kostenintensiv ist. Weiterhin ergibt sich vielfach ein schwieriges Kühlungsmanagement.
• Sofern die thermische Expansion oder Kontraktion nicht störungsfrei ablaufen kann, ergeben sich Spannungsprobleme, die zu einem Bauteilversagen führen können.
• Eine akkustische Auskleidung der genannten Art beschreibt beispielsweise die US 5,025,888 A .
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ringelement der genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine thermische Expansion oder Kontraktion zulässt.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Erfindungsgemäß ist es somit vorgesehen, dass eine Vielzahl von Verbindungselementen zwischen dem äußeren Ringkörper und dem inneren Ringkörper angeordnet sind, welche jeweils mit dem äußeren Ringkörper und dem inneren Ringkörper verbunden sind.
• Die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.
• Die Verbindungselemente können dabei als Hebel ausgestaltet und gelenkig an dem äußeren Bereich des inneren Ringkörpers und an dem inneren Bereich des äußeren Ringkörpers gelagert sein. Sie erstrecken sich bevorzugter Weise in einem Winkel zur Radialrichtung der Ringkörper bzw. des Ringelements.
• Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Verbindungselemente in Form von elastischen Elementen oder Federelementen auszubilden. Es ist auch möglich, die Verbindungselemente als Rollenlager oder in ähnlicher Form auszugestalten, wobei die einzelnen Rollen auf abgeschrägten Flächen oder Rampen gleiten können.
• Die Erfindung bezieht sich hinsichtlich der Verbindungselemente somit auf jede Art von mechanischer Verbindung, die bei einer entsprechenden Verankerung des äußeren und des inneren Ringkörpers thermische Expansionen zwischen diesen beiden ermöglichen. Somit ergibt sich erfindungsgemäß sowohl eine radiale Beweglichkeit, als auch eine Beweglichkeit in Umfangsrichtung.
• Durch die Lagerung des äußeren Ringkörpers und des inneren Ringkörpers mittels der Verbindungselemente können beide Ringkörper thermische Expansionen oder Kontraktionen durchführen, ohne dass die Gesamtstabilität des Ringelements beeinflusst wird. Vielmehr bleiben beide Ringkörper stets zentrisch zueinander ausgerichtet, sie können sich in ihrem Durchmesser verändern, ohne dass Spannungen oder Materialbeanspruchungen auftreten. Die Verbindungselemente werden dabei lediglich verschwenkt oder verformt oder in ihrer Lage verändert und gestatten somit eine Relativbewegung zwischen dem äußeren und dem inneren Ringkörper sowohl in radialer Richtung als auch in gewissem Umfang in Umfangsrichtung. Die anteilige Bewegung in Umfangsrichtung erweist sich nicht als nachteilig, da sie konstruktionsbedingt leicht aufgefangen werden kann und im Übrigen nur sehr gering ist.
• Aus Sicherheitsgründen kann es wünschenswert sein, einen Anschlag zur Begrenzung der Relativbewegung zwischen dem äußeren und dem inneren Ringkörper vorzusehen.
• Erfindungsgemäß ist es möglich, in dem Zwischenraum zwischen dem äußeren und dem inneren Ringkörper Geräuschdämpfungsmittel, beispielsweise eine Wabenkonstruktion oder Ähnliches, einzubringen.
• Die erfindungsgemäßen Ringkörper können hinsichtlich ihrer radialen Abmessungen beliebig gewählt werden. Sie können weitere Funktionsflächen oder Funktionselemente enthalten.
• Es ist lediglich erforderlich, die Anlenkbereiche der Verbindungshebel (Lagerböcke) entsprechend vorzusehen.
• Erfindungsgemäß ist es somit vorteilhaft, dass durch das erfindungsgemäße Ringelement eine einfache Fertigung von Teilen möglich ist, die sich beispielsweise im Gaskanal einer Gasturbine befinden. Diese können erfindungsgemäß nunmehr als Vollring gefertigt werden, während es aus dem Stand der Technik erforderlich war, Ringsegmente vorzusehen. Hierdurch verringern sich die Herstellungskosten ganz erheblich.
• Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, die radiale Aufweitung des Rings exakt zu kontrollieren, da ausschließlich thermische Einflüsse in die Betrachtung eingehen.
• Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass die Gehäuseteile, in welchen die Ringelemente einsetzbar sind, einfacher und kostengünstiger herstellbar sind.
• Hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Performance ergeben sich im Vergleich zum Stand der Technik ebenfalls Vorteile, da potentielle Leckagen, die durch segmentierte Teile, beispielsweise Deckbänder, stets auftreten, durch die erfindungsgemäßen Ringkörper gänzlich vermieden werden können.
• Vorteilhaft ist auch die vereinfachte Montage und Demontage, im Vergleich zu segmentierten Bauelementen.
• Als weiterer Vorteil ergibt sich die Möglichkeit, das Gesamtgewicht des Ringelements zu verringern, da zu dessen Montage weitaus einfachere technische Maßnahmen ausreichend sind.
• Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Ringelement zur Kontrolle des Laufspalts an Turbinen einsetzbar, bei welchem das thermische Verhalten von geschlossenem Deckband (innerer Ringkörper), den Verbindungshebeln und der gegebenenfalls erforderlichen Kühlluftzufuhr gut aufeinander abstimmbar sind. Die Kühlluft wird dabei zwischen das Gehäuse und das Ringelement eingebracht. Es ist dabei möglich, den Luftspalt sehr exakt zu kontrollieren und die thermische Abstimmung entsprechend durchzuführen.
• Die Erfindung ist nicht auf Ringelemente mit kurzen axialen Abmessungen beschränkt. Die Ringelemente können vielmehr auch röhrenförmig ausgebildet sein und sich über eine größere Distanz erstrecken. Dabei ist es möglich, unterschiedliche thermische Belastungen über die axiale Länge zu kompensieren. Hierzu ist es auch möglich, mehrere Anordnungen von Verbindungselementen über die axiale Länge des röhrenförmigen Ringelements anzuordnen.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigt:
• 1 eine stirnseitige Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ringelements,
• 2 eine vergrößerte Teil-Ansicht der Darstellung von 1,
• 3 eine Teil-Ansicht, analog 2, eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ringelements,
• 4 eine Teil-Ansicht des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels in Blickrichtung in Umfangsrichtung, und
• 5 eine Teil-Ansicht, im Axialschnitt, eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ringelements.
• Das erfindungsgemäße Ringelement umfasst einen äußeren Ringkörper 1 sowie einen inneren Ringkörper 2. Die beiden Ringkörper 1, 2 sind zentrisch zueinander angeordnet und über eine Vielzahl von Verbindungshebeln 3 miteinander verbunden. Wie sich insbesondere aus der Darstellung der 2 ergibt, können die Verbindungshebel 3 als einfache Hebel ausgebildet sein, welche jeweils mittels Bolzen 7, 8 an Lagerböcken 5, 6 schwenkbar gelagert sind.
• Aus der Darstellung der 1 und 2 ergibt sich, dass bei einer thermischen Expansion oder Kontraktion, bei welcher sich der Durchmesser, entweder des äußeren Lagerrings 1 oder des inneren Lagerrings 2 ändert, die Verbindungshebel 3 entsprechend verschwenkt werden.
• Eine geänderte Ausgestaltungsform zeigen die 3 und 4. Dabei ist der innere Ringkörper 2 als akkustisches Dämpfungselement mit einer Vielzahl von wabenartigen Zellen ausgebildet. Um einen ausreichenden Freiraum zur Durchführung von Kühlluft (siehe die Teil-Axial-Schnitt-Ansicht der 4) gewährleisten zu können, sind Anschläge 4 an dem äußeren Ringkörper 1 vorgesehen, welche den maximalen Schwenkwinkel der Verbindungshebel 3 begrenzen.
• Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem eine paarweise Ausbildung der Verbindungshebel 3 gezeigt ist. Diese weisen im Querschnitt eine H-förmige Gestaltung auf. Demgemäß sind an dem äußeren Ringkörper 1 jeweils zwei Lagerböcke 5 vorgesehen. Entsprechend weist auch der innere Ringkörper 2 zwei voneinander beabstandete Lagerböcke 6 auf.
• Die 5 zeigt längliche Bolzen 7 bzw. 8, durch welche der Verbindungshebel 3 schwenkbar an dem äußeren Ringkörper 1 bzw. an dem inneren Ringkörper 2 gelagert ist.
• Die 5 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ringelements im Bereich von Rotorschaufeln 10 eines Rotors. Mit dem Bezugszeichen 11 ist eine Statorschaufel dargestellt. Radial außenliegend zu der Rotorschaufel 10 ist ein Laufspalt 13 in schematischer Weise gezeigt, welchem ein Deckband 12 zugeordnet ist, welches wiederum an dem inneren Ringkörper 2 gelagert ist. Der innere Ringkörper 2 ist so in einer Führung 14 aufgenommen, dass er ein ausreichendes Spiel hat, um thermische Expansionen oder Kontraktionen zu ermöglichen.
• Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.

1

äußerer Ringkörper

2

innerer Ringkörper

3

Verbindungshebel/-element

4

Anschlag

5

Lagerbock

6

Lagerbock

7

Bolzen

8

Bolzen

9

Kühlluft

10

Rotorschaufel

11

Statorschaufel

12

Deckband

13

Laufspalt

14

Führung

Claims (10)

1. Ringelement mit einem äußeren Ringkörper (1) und einem zentrisch zu diesem angeordneten inneren Ringkörper (2), gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Verbindungselementen (3), welche jeweils am äußeren Bereich des inneren Ringkörpers (2) und am inneren Bereich des äußeren Ringkörpers (1) gelagert sind.
2. Ringelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (3) in Form von Verbindungshebeln ausgebildet sind, welche jeweils gelenkig am äußeren Bereich des inneren Ringkörpers (2) und am inneren Bereich des äußeren Ringkörpers (1) gelagert sind und sich in einem Winkel zur Radialrichtung erstrecken.
3. Ringelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (3) in Form von elastischen Elementen ausgebildet sind.
4. Ringelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (3) in Form von auf abgeschrägten Führungsflächen gelagerten Rollenelementen ausgebildet sind.
5. Ringelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere (1) und der innere (2) Ringkörper relativ zueinander in radialer Richtung und in Umfangsrichtung bewegbar sind.
6. Ringelement einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zumindest einen Anschlag (4) zur Begrenzung der Relativbewegung zwischen dem äußeren (1) und dem inneren (2) Ringkörper.
7. Ringelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Geräuschdämpfungsmittel zwischen dem äußeren (1) und dem inneren (2) Ringkörper.
8. Ringelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungshebel (3) paarweise ausgebildet sind.
9. Ringelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement röhrenförmig ausgebildet ist.
10. Ringelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass über die axiale Länge mehrere Anordnungen von Verbindungselementen (3) vorgesehen sind.