DE4022687A1 - Schaufelspitzen-spaltsteuerung mit einem winkelhebelmechanismus - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf eine Einrichtung zum Steuern des Spalts zwischen benachbarten rotierenden und nicht-rotierenden Komponenten eines Gasturbinentriebswerkes.

Der Wirkungsgrad eines Gasturbinentriebwerkes ist von vielen Faktoren abhängig, einer davon ist der radiale Spalt zwischen benachbarten rotierenden und nicht- rotierenden Komponenten, wie beispielsweise den Rotorschaufelspitzen und dem Gehäusemantel, der die äußeren Spitzen der Rotorschaufeln umgibt.

Wenn der Spalt zu groß ist, tritt ein unzulässiger Grad an Gasleckage mit einem daraus resultierenden Verlust an Wirkungsgrad auf.

Wenn der Spalt zu klein ist, besteht ein Risiko, daß unter gewissen Bedingungen ein Kontakt zwischen den Komponenten auftritt.

Die Gefahr für einen auftretenden Kontakt bzw. Reibeingriff ist besonders groß, wenn sich die Triebwerksdrehzahl ändert, d. h. entweder zunimmt oder abnimmt, da Temperaturunterschiede in dem Triebwerk häufig zur Folge haben, daß rotierende und nicht- rotierende Komponenten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in radialer Richtung expandieren und kontraktieren. Beispielsweise erfolgt bei Triebwerksbeschleunigungen das thermische Wachstum des Rotors üblicherweise später als dasjenige des Gehäuses. Während eines stationären Betriebes ist das Wachstum des Gehäuses üblicherweise enger an dasjenige des Rotors angepaßt. Bei Drehzahlsenkungen des Triebwerkes kontraktiert das Gehäuse schneller als der Rotor.

Es sind Steuerungs- bzw. Regelungsmechanismen bekannt, die üblicherweise mechanisch oder thermisch betätigt werden, um den Schaufelspitzenspalt im wesentlichen konstant zu halten. Es scheint jedoch keiner den optimalen Aufbau für eine Spaltsteuerung darzustellen. Infolgedessen besteht immer noch ein Bedürfnis an einem verbesserten Mechanismus für eine Spaltsteuerung, der die Beibehaltung eines minimalen Rotorschaufelspitzen- Mantelspalts über dem Betriebsbereich des Triebwerkes beibehält und dadurch die Leistungsfähigkeit des Triebswerkes verbessert und den Brennstoffverbrauch senkt.

Die Erfindung beschafft eine Schaufelspitzenspalt- Steuereinrichtung, die die vorgenannten Bedürfnisse erfüllt und die genannten Aufgaben erfüllt. Ferner verwendet die Schaufelspitzenspalt-Steuereinrichtung einen durch einen Winkelhebel betätigten Mantelsegment- Positioniermechanismus, der diese Aufgaben ohne eine große Gewichtszunahme erfüllt. Die Komponenten des Positioniermechanismus sind außerhalb des Gehäuses angeordnet für eine leichte Einstellung und Wartung und sie bilden nur wenige Teile, die leicht zu fertigen und zu montieren sind. Ferner sorgen die Komponente des Positioniermechanismus für eine Hebelanordnung mit einem mechanischen Vorteil, der die Bewegung der Mantelsegmente radial nach innen und außen relativ unempfindlich macht gegenüber kleinen unbeabsichtigten Umfangsbewegungen des Gleichlaufringes.

Die Spaltsteuereinrichtung gemäß der Erfindung wird in einem Gasturbinentriebwerk ausgebildet, das einen drehbaren Rotor mit einer Mittelachse und eine Reihe von Schaufeln mit Spitzen und ein feststehendes Gehäuse aufweist, wobei ein Mantel in einer konzentrischen Beziehung zum Rotor angeordnet ist. Die Spaltsteuereinrichtung, die zum Steuern des Spaltes bzw. Spielraumes zwischen den Rotorschaufelspitzen und dem Gehäusemantel betätigbar ist, enthält: (a) ein Mantelsegment, das einen Umfangsabschnitt des Gehäusemantels bildet und getrennt von und im Abstand radial innen von dem Gehäuse angeordnet ist; (b) wenigstens eine Befestigungsstruktur auf dem stationären Gehäuse, die im Abstand radial außen von dem Mantelsegment angeordnet ist und einen Kanal bildet, der sich zwischen den äußeren und inneren Seiten des Gehäuses erstreckt; und (c) einen Mantelsegment-Positioniermechanismus, der durch das Gehäuse gehaltert ist, mit dem Mantelsegment gekoppelt ist und betätigbar ist zum Bewegen des Mantelsegments in Richtung auf und von den Rotorschaufelspitzen weg, um eine Position relativ dazu zu ereichen, an der ein gewünschter Spalt zwischen dem Mantelsegment und den Rotorschaufelspitzen ausgebildet ist.

Insbesondere enthält der Positioniermechanismus ein Mantelsegment-Halteteil und eine Winkelhebelbetätigungsanordnung. Das Halteteil ist durch den Durchlaß, der durch die Befestigungsstruktur gebildet ist, für eine radiale Bewegung relativ zum Gehäuse und in Richtung auf und von der Rotorachse weg angebracht. Das Halteteil hat eine longitudinale Achse und gegenüberliegende innere und äußere Enden, wobei das Mantelsegment mit dem inneren Ende des Halteteils an der Innenseite des Gehäuses gekoppelt ist. Die Betätigungsanordnung ist mit dem anderen Ende des Halteteils verbunden und an der Außenseite des Gehäuses angeordnet.

Weiterhin enthält der Positioniermechanismus eine Haltestruktur auf dem stationären Gehäuse, die die Betätigungsanordnung neben der Befestigungsstruktur für eine Schwenkbewegung um eine Achse anbringt, die im Abstand von und quer zur Längsachse des Halteteils angeordnet ist. Die Schwenkbewegung der Betätigungsanordnung um die Querachse erzeugt eine radiale Bewegung des Halteteils und des Mantelsegments damit relativ zum Gehäuse und entlang der Längsachse in Richtung auf und von den Rotorschaufelspitzen weg.

Weiterhin erhält der Positioniermechanismus einen Mantelhalter, der mit dem inneren Ende des Halteteils verbunden ist. Der Mantelhalter hat axial beabstandete, in Umfangsrichtung verlaufende Vertiefungen, die das Mantelsegment an im Abstand zueinander angeordneten longitudinalen Randabschnitten gleitend aufnehmen und halten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes.

Fig. 2 ist ein axialer Längsschnitt von einer bekannten mechanischen Einrichtung zum Steuern des Spalts zwischen einer Rotorschaufelspitze und einem Statorgehäusemantel.

Fig. 3 ist ein axialer Längsschnitt von einer anderen bekannten mechanischen Einrichtung zum Steuern des Rotor- und Statorschaufelspitzenspalts.

Fig. 4 ist ein axialer Längsschnitt von einer weiteren bekannten mechanischen Einrichtung zum Steuern des Rotorschaufelspitzen- und Statorgehäusemantelspalts und des Rotor-Statorschaufelspitzenspalts.

Fig. 5 ist ein axialer Längsschnitt von einer Schaufelspitzenspaltsteuereinrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 6 ist eine Querschnittsdarstellung der Einrichtung gemäß Fig. 5 entlang der Linie 6-6.

Fig. 7 ist ein Umfangsschnitt des Mantelshalters der Einrichtung gemäß Fig. 6 entlang der Linie 7-7.

Fig. 8 ist ein Schnitt eines Winkelhebels der Einrichtung gemäß Fig. 6 entlang der Linie 8-8.

Fig. 9 ist der Schnitt einer Gabel der Einrichtung in Fig. 6 entlang der Linie 9-9.

In der folgenden Beschreibung sind Begriffe wie "vorne", "hinten", "links", "rechts", "aufwärts", "abwärts", usw. nur nach der Zweckmäßigkeit gewählt und sollen in keiner Weise eine Beschränkung darstellen.

In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk 10 gezeigt, bei dem die Erfindung angewendet werden kann. Das Triebwerk 10 hat eine longitudinale Mittellinie oder Achse A und ein ringförmiges Gehäuse 12, das koaxial und konzentrisch um die Achse A angeordnet ist. Das Triebwerk 10 enthält ein Kerngasgeneratortriebwerk 14, das aus einem Verdichter 16, einer Brennkammer 18 und einem Hochdruckturbine 20 aufgebaut ist, die eine einzelne oder mehrere Stufen aufweisen kann, wobei alle koaxial um die Längsachse oder Mittellinie A des Triebwerks 10 in einer seriellen, axialen Strömungsrelation angeordnet sind. Eine ringförmige Antriebswelle 22 verbindet den Verdichter 16 und die Hochdruckturbine 20 fest miteinander.

Das Kerntriebwerk 14 sorgt für eine Erzeugung von Verbrennungsgasen. Druckluft aus dem Verdichter 16 wird in der Brennkammer 18 mit Brennstoff gemischt und entzündet, um dadurch Verbrennungsgase zu erzeugen. Eine gewisse Arbeit wird diesen Gasen durch die Hochdruckturbine 20 entzogen, die den Verdichter 16 antreibt. Die restlichen Verbrennungsgase werden aus dem Kerntriebwerk 14 in eine Niederdruck-Arbeitsturbine 24 ausgestoßen.

Die Niederdruckturbine 24 enthält einen ringförmigen Trommelrotor 26 und einen Stator 28. Der Rotor 26 ist durch Lager 30 drehbar gehaltert und enthält mehrere Turbinenschaufelreihen 34, die sich radial nach außen erstrecken und in axialem Abstand angeordnet sind. Der Stator 28 ist radial außen von dem Rotor 26 angeordnet und weist mehrere Statorschaufelreihen 36 auf, die an dem stationären Gehäuse 12 fest angebracht sind und sich von dort radial nach innen erstrecken. Die Statorschaufelreihen 36 sind mit axialem Abstand so angeordnet, daß sie sich mit den Turbinenschaufelreihen 34 abwechseln. Der Rotor 26 ist an einer Antriebswelle 38 befestigt und mit der Antriebswelle 22 über ein Differentiallager 32 verbunden. Die Antriebswelle 38 treibt ihrerseits einen vorderen Zusatz- bzw. Booster- Rotor 39 an, der einen Teil eines Zusatz- bzw. Booster- Verdichters 40 bildet und der auch vordere Bläser- bzw. Fanschaufelreihen 41 haltert, die in einer Gondel 42 untergebracht sind, die von dem stationären Gehäuse 12 durch mehrere Streben 43 gehaltert wird, von denen nur eine gezeigt ist. Der Booster-Verdichter 40 ist von mehreren Booster-Schaufelreihen 44, die an dem Booster- Rotor 39 für eine Rotation damit fest angebracht sind und sich von diesem radial nach außen erstrecken, und mehreren Booster-Statorschaufelreihen 46 gebildet, die an dem stationären Gehäuse 12 fest angebracht sind und sich von diesem radial nach innen erstrecken. Sowohl die Booster-Schaufelreihen 44 als auch die Statorschaufelreihen 46 sind mit axialem Abstand und so angeordnet, daß sie sich miteinander abwechseln.

In den Fig. 2, 3 und 4 sind drei Variationen einer bekannten Spaltsteuereinrichtung 48 gezeigt (wie sie auf den Seiten 8 und 15 einer Veröffentlichung mit dem Titel "Thermal Response Turbine Shroud Study" von E. J. Kawecki, datiert Juli 1979, Technical Report AFAPL-TR- 79-2087 beschrieben ist). Die Spaltsteuereinrichtung 48 ist betätigbar zum Verändern des Spitzenspalts C zwischen den Statorschaufeln 50, die mit einem stationären Gehäuse 52 verbunden sind, und einem drehbaren Rotor 56; und/oder des Spitzenspalts C′ zwischen den drehbaren Rotorschaufeln 54 und dem Gehäusemantel 53 eines Gasturbinentriebwerks, wie beispielsweise dem hier beschriebenen Triebwerk 10.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist das Mantelsegment 53 getrennt von dem Gehäuse 52 und ist an dem Ende einer Schraube 64 angebracht für eine radiale Bewegung relativ zum Gehäuse 52 in Richtung auf und von der Spitze der Rotorschaufel 54 weg für eine Einstellung des dazwischen bestehenden Spaltes C′. In den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 3 und 4 sind die Statorschaufeln 50 auf Schaften 58 angebracht, die ihrerseits in Öffnungen 60 in dem Gehäuse 52 angeordnet sind für eine radiale Bewegung in Richtung auf den Rotor 56 und von diesem weg. Jeder Schaft steht mit einem Hebelarm 62 in Verbindung durch eine Schraube 64, die in ein Paßstück 66 geschraubt ist, das an dem Gehäuse 52 befestigt ist. Weiterhin dreht ein Gleichlaufring 68 bei einer Umfangsbewegung die Schraube 64 über den Hebelarm 62, um den Spalt einzustellen. Um die Wirkungen der thermischen Expansion auf die Spaltsteuereinrichtung 48 zu vermindern, hat jede Schraube 64 Gewinde 70 mit einem rechtwinkligen Querschnitt. In jedem dieser Ausführungsbeispiele ist das Mantelsegment 53 an dem stationären Gehäuse 52 befestigt, wobei in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 das Mantelsegment 53 fest angebracht und in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 bewegbar angebracht ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die Spaltsteuereinrichtung 48 die Funktion hat, den Spalt C′ zwischen der Spitze der Statorschaufel 50 und dem Rotor 56 einzustellen, aber sie stellt nicht den Spalt C′ zwischen der Spitze der Rotorschaufel 54 und dem Mantelsegment 53 ein. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 dagegen stellt die Spaltsteuereinrichtung 48 nicht nur den Spalt C′ zwischen der Spitze der Statorschaufel 50 und dem Rotor 56 ein, sondern gleichzeitig damit stellt sie den Spalt C′ zwischen der Spitze der Rotorschaufel 54 und dem Mantelsegment 53 ein.

In den Fig. 5-9 ist eine mechanische Spaltsteuereinrichtung 72 gemäß der Erfindung dargestellt. Diese Einrichtung 72 kann mit Vorteil bei allen Verdichter-und Turbinenrotoren eines Gasturbinentriebwerkes verwendet werden, wie beispielsweise bei dem in Fig. 1 dargestellten Triebwerk 10, wo die Rotoren glatte, mit einem Mantel versehene äußere Strömungspfade haben und wo minimale Rotorschaufelspitzen-Mantelbetriebsspalte über dem Betriebsbereich des Triebwerks erforderlich sind. Weiterhin ist die Spaltsteuereinrichtung 72 bei Gasturbinenmotoren in entweder Flugzeugen oder auf dem Erdboden einsetztbar.

Die Spaltsteuereinrichtung 72 ist betätigbar zum Steuern des Spaltes zwischen einem stationären Gehäuse 74 und äußeren Spitzen 76A von zahlreichen Schaufeln 76 (siehe Fig. 5 und 6) von einem Rotor (nicht gezeigt), die sich abwechselnd zwischen Statorschaufeln 78 (in Fig. 5 gezeigt) radial nach außen erstrecken, die ihrerseits stationär an dem Gehäuse 74 angebracht sind und sich von diesen radial nach innen erstrecken. Es sind mehrere Spaltsteuereinrichtungen 72 (in den Fig. 5 und 6 ist nur eine davon gezeigt) mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Stell- oder Gleichlaufring 80 (siehe Fig. 6 und 8) verbunden, um die sich bewegenden Teile der Einrichtungen 72 miteinander zu betätigen, um den Spalt auf den gesamten 360° um die Rotorschaufelspitzen 76A und das stationäre Gehäuse 74 herum zu steuern.

Jede Spaltsteuereinrichtung 72 enthält wenigstens ein und vorzugsweise zwei oder mehr Mantelsegmente 82 (in Fig. 6 gezeigt), die jeweils einen langgestreckten bogenförmigen Körper aufweisen. Die Mantelsegmente 82 bilden aufeinanderfolgende Umfangsabschnitte eines umschließenden Mantels und sind getrennt von und im Abstand radial innen von dem Gehäuse 74 angeordnet. Zusätzlich zu den Mantelsegmenten 82 enthält jede Spaltsteuereinrichtung 72 einen aufeinanderfolgenden Umfangsabschnitt von einer Befestigungsstruktur 84 in der Form eines Umfangsflansches 85 auf dem Gehäuse 74 und einen durch einen Winkelhebel betätigten Mantelsegment-Positioniermechanismus 86. der Befestigungsflansch 85 ist einstückig mit dem Gehäuse 74 und hat entsprechende in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Durchlässe 88, die sich zwischen der äußeren Seite und der inneren Seite des Gehäuses 74 erstrecken. Der Befestigungsflansch 85 ragt von der äußeren Seite des Gehäuses 74 nach außen vor und ist radial außen von den Mantelsegmenten 82 im Abstand angeordnet.

Gemäß den Fig. 5 und 6 ist der Positioniermechanismus 86 von jeder Einrichtung 72 durch den stationären Gehäuseflansch 85 an den Stellen der Durchlässe 88 gehaltert und mit den Mantelsegmenten 82 und dem Gleichlaufring 80 verbunden. Eine Drehung des Gleichlaufringes 80 bewirkt eine Bewegung der Komponenten der Positioniermechanismen 84, wie es nachfolgend noch zu beschreiben ist, die ihrerseits die Mantelsegmente 82 in Richtung auf und von den Rotorschaufelspitzen 76A weg bewegen, um eine gewählte Position relativ dazu zu erreichen, an der ein gewünschter Spielraum oder Spalt G (siehe Fig. 5) zwischen den Mantelsegmenten 82 und den Rotorschaufelspitzen 76A gebildet ist.

Der Positioniermechanismus 86 weist zwei in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Halteteile 90, einen Mantelhänger oder -Halter 92, zwei Betätigungsanordnungen 94 und zwei Haltestrukturen 96 auf. Jedes Halteteil 90 des Positioniermechanismus 86 ist an dem Befestigungsflansch 85 durch einen seiner in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Durchlässe 88 für eine relative Gleit- bzw. Schiebebewegung relativ dazu in Richtung auf und von der Mittelachse A des Triebwerks und seines Rotors weg angebracht. Jedes Halteteil 90 weist eine longitudinale Welle 90A, die sich durch den Durchlaß 88 erstreckt, und ein Querende 90B auf, das an dem inneren Ende der Welle fest angebracht ist. Die Welle 90A des Halteteils 90 hat die Form eines langgestreckten massiven Stabes mit einer im wesentlichen zylindrischen Querschnittform und sie hat eine Längsachse R, die in radialer Richtung verläuft. Das innere Ende 90B ist hohl und hat eine im wesentlichen zylindrische Querschnittsform.

Die Befestigungsstruktur 84 enthält auch ein zylindrisches Durchführungsteil 98, das durch jeden Durchlaß 88 des Befestigungsflansches 85 stationär angebracht ist. Jedes Durchführungsteil 98 ist um Querschnitt zylindrisch und hohl und befestigt die zylindrische Welle 90A für eine radiale Gleitbewegung entlang der Längsachse R relativ zum Gehäuse 74. Das Durchführungsteil 98 hat einen rohrförmigen Körper 98A, der eine innere zylindrische Lagerfläche bildet, die in einem Gleiteingriff mit der Halterungswelle 90A steht, und einen ringförmigen Rand 98B, der an dem äußeren Ende des rohrförmigen Körpers 98A befestigt ist. Das Durchführungsteil 98 bildet an seinem Rand 98B einen Sitz auf dem Befestigungsflansch 85.

In den Fig. 5-7 ist der Mantelhalter 92 des Positioniermechanismus 84 an der Innnenseite des Gehäuses 74 neben den Mantelsegmenten 82 angeordnet. Der Mantelhalter 92 hat eine langgestreckte Bogenform und ist aus miteinander verbundenen vorderen, hinteren und gegenüberliegenden Endwänden 92A, 92B, 92C und im Abstand angeordneten Kreuzstreben 92D aufgebaut, die sich zwischen den vorderen und hinteren Wänden 92A, 92B, erstrecken und diese fest miteinander verbinden. Die vorderen und hinteren Mantelhalterwände 92A, 92B neben ihren gegenüberliegenden Endwänden 92C nehmen die Innenenden 92B der Wellen 90A der Halteteile auf und sind daran schwenkbar angebracht durch Drehstifte 102, die sich durch Querbohrungen 104 erstrecken, die in den inneren Wellenenden 90B gebildet sind und durch entsprechende Paare von Löchern 100 erstrecken, die in den gegenüberliegenden Endteilen der vorderen und hinteren Wände gebildet sind. Aus Fig. 6 wird deutlich, daß die rechte Bohrung 104A eine ovale oder langgestreckte Querschnittsform hat, während die linke Bohrung 104B eine im wesentlichen kreisförmige Querschnittsform hat. Die Langform der rechten Bohrung 104A gestattet eine Relativbewegung zwischen dem rechten Drehstift 102, der in Fig. 6 zu sehen ist, und dem inneren Wellenende 90B, um einen sich verändernden Abstand zwischen den Stiften 102 aufzunehmen auf Grund der Radialbewegung der Wellen 90 A und damit des Mantelhalters 92 von der Rotorachse A weg und in Richtung auf diese und auf Grund der unterschiedlichen thermischen Expansion, die zwischen den Komponenten auftritt.

Wie am besten aus Fig. 5 zu ersehen ist, enthält der Mantelhalter 92 entlang den inneren Rändern von seinen entsprechenden vorderen und hinteren Wänden 92A, 92B eine Vertiefung bzw. Nut 106 und einen Flansch 108, die im axialen Abstand zueinander angeordnet sind und die sich beide in Umfangsrichtung um die Rotorachse A herum erstrecken. Der Mantelhalterflansch 108 und ein Rand 82A auf den Mantelsegmenten 82 stehen miteinander in einem Klemmeingriff durch ein C-förmiges Verriegelungsteil 110, das über dem Mantelsegmentrand 82A und dem Mantelhalterflansch 108 gleitend bzw. verschiebbar angebracht ist. Die Mantelhalternut 106 nimmt gleitend den gegenüberliegenden Mantelsegmentrand 82B auf. Auf diese Weise sind die Mantelsegmente 82 gleitend aufgenommen und durch den Mantelhalter 92 lösbar gehalten in einer Abstand aufweisenden Ende- Zu- Ende- Tandemanordnung, wie es am besten aus Fig. 6 zu ersehen ist. Der schmale Raum zwischen den Mantelsegmenten 82 an ihren benachbarten Enden und die längliche Querschnittform der Bohrung 104A in den rechten inneren Wellenenden 90B, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind, nehmen eine Umfangsänderung des Mantels auf, der durch die Mantelsegmente 82 gebildet ist, wenn diese sich radial in Richtung auf die Rotorschaufelspitzen 76A und von diesen weg bewegen.

Gemäß den Fig. 5, 6, 8 und 9 ist jeder der Winkelhebel bzw. Betätigungshebel 94 mit einem äußeren Ende von einer der Wellen 90A der Halteteile 90 verbunden. Ferner ist jedes Winkelhebel- Betätigungsglied 94 an dem Gehäuse 74 an seiner äußeren Seite befestigt und neben einem der Halteteile 90 für eine Schwenk- bzw. Drehbewegung um eine Achse S, die im Abstand von und quer zur Längsachse R der Halteteilewelle 90A verläuft. Vorzugsweise erstreckt sich die Drehwelle S im wesentlichen parallel zur Längsachse A des Rotors. Die Drehbewegung von jedem Winkelhebel- Stellglied 94 um die Drehachse S erzeugt eine radiale Bewegung der Halteteile 90 und des Mantelsegments 82 damit in Richtung auf die Rotorschaufelspitzen 76A und von diesen weg.

Eine der Haltestrukturen 96 in der Form eines Haltezapfens, der in das stationäre Gehäuse 74 geschraubt ist, befestigt die Stelleinrichtung 94 neben dem Befestigungsflansch 85 für eine Drehbewegung um die Querachse S. Auf den Haltezapfen 96 ist eine Stellmutter 112 geschraubt. Die Mutter 112 wird nach unten gegen das Gehäuse 74 angezogen, wenn der Zapfen 96 in die gewünschte Orientierung eingestellt ist für eine Ausrichtung der Stelleinrichtung 94 mit dem Gleichlaufring 80 und zum Verriegeln der Einrichtung 94 in dem ausgerichteten Zustand.

Wie aus den Fig. 5, 6, 8 und 9 ersichtlich ist, enthält jede Stelleneinrichtung 94 einen Betätigungshebel in der Form eines L-förmigen Winkelhebels 114, einen Koppler in der Form einer Gabelverbindung 116 und Stellmittel in der Form von äußeren und inneren Verriegelungsmuttern 118, 120. Der Winkelheber 114 ist von einem langen äußeren Schenkelabschnitt 114A und einem kurzen inneren Schenkelabschnitt 114B gebildet, die an einem Ellbogen 114D fest miteinander verbunden sind und sich in Querrichtung zueinander erstrecken. Die äußeren und inneren Abschnitte 114A, 114B bilden zusammen eine Y- förmige jochähnliche Struktur. Der Winkelhebel 114 ist durch äußere und innere Drehstifte 122, 124 an seinem äußeren Ende 114C dreh- bzw. schwenkbar angebracht, und der Ellbogen 144D ist auf entsprechende Weise an dem Gleichlaufring 80 und an dem äußeren Ende des Haltezapfens 96 angebracht. Dabei erstreckt sich der Drehstift 122 durch radial langgestreckte Schlitze 126, die in dem Gleichlaufring 80 ausgebildet sind, und ein Loch 128, das durch das äußere Ende 114C des Winkelhebels 114 ausgebildet ist. Der Drehzapfen 124 erstreckt sich durch eine Bohrung 130, die in einem Querkopf 96A auf dem äußeren Ende des Haltezapfens 96 ausgebildet ist. Die radial langgestreckten Schlitze 126 in dem Gleichlaufring 80, die die äußeren Stifte 122 aufnehmen, nehmen eine unterschiedliche thermische Expansion zwischen dem Gehäuse 74 und dem Ring 80 auf.

Die Gabelverbindung 116 von jeder Stelleinrichtung 94 enthält eine zentrale Nabe 132 und zwei Zapfenwellen 134, die daran befestigt sind und von dort entlang einer gemeinsamen Achse C in entgegengesetzter Richtung verlaufen. Die Nabe 132 ist über dem äußeren Ende 90C der Halteteilwelle 90A gleitend bzw. verschiebbar angebracht. Die äußeren und inneren Verriegelungsmuttern 118, 120 sind auf das äußere Ende 90C der Welle auf gegenüberliegenden Seiten der Nabe 132 der Gabelverbindung 116 geschraubt. Die Muttern 118, 120 können entlang dem äußeren Wellenende 90C eingestellt werden, um sie an gewünschten axialen Stellen gegen die Nabe 132 festzuziehen, um eine axiale Bewegung der Welle 90 herbeizuführen und dadurch zunächst einen gleichförmigen Spalt G zwischen den Turbinenschaufelspitzen 76A und den Mantelsegmenten 82 um den 360° Umfang des Gehäuses 74 herum auszubilden.

Die Nabe 132 der Gabelverbindung 116 ist innerhalb der jochähnlichen Konfiguration des inneren Schenkelabschnittes 114B des Winkelhebels 114 angeordnet. Die Zapfenwellen 134 der Gabelverbindung 116 erstrecken sich durch entsprechende langgestreckte Schlitze 136, die in dem inneren Schenkelabschnitt 114B ausgebildet sind. Die Schlitze 136 gestatten eine relative Bewegung zwischen den Zapfenwellen 134 und dem inneren Schenkelabschnitt 114B des Winkelhebels für eine gleichzeitig möglich werdende liniare Bewegung der Halteteilwelle 90 und eine Drehbewegung des Winkelhebels 114 bei einer Umfangsbewegung des Gleichlaufringes 80, um die Stelleinrichtung 94 zu betätigen.

Zusammenfassend sind also die Positioniermechanismen 86 der Einrichtungen 72 mechanisch mit dem Gleichlaufring 80 gekoppelt und betätigbar zum radialen Bewegen der Mantelsegmente 82 in Richtung auf die Rotorschaufelspitzen 76A und von diesen weg, um eine gewählte Position relativ zum Rotor (nicht gezeigt) zu erreichen, an der der gewünschte Spielraum (Spalt G in Fig. 5) zwischen den Mantelsegmenten 82 und den Rotorschaufelspitzen 76A ausgebildet ist. Weiterhin halten die Mechanismen 86 die Mantelsegmente 82 an den gewählten Positionen, um den gewünschten Spalt zwischen den Mantelsegmenten und den Rotorschaufelspitzen beizubehalten bei einer Beendigung der Drehung des Gleichlaufringes 80.

Claims (24)

1. Einrichtung zum Steuern des Spielraumes bzw. Spalts zwischen den Rotorschaufelspitzen und einem Gehäusemantel von einem Gasturbinentriebwerk mit einem Rotor und einer Reihe von Schaufeln mit äußeren Spitzen und einem stationären Gehäuse, wobei der Gehäusemantel konzentrisch zu dem Rotor angeordnet ist, gekennzeichnet durch:

• a) ein Mantelsegment (82), das einen Umfangsabschnitt von dem Gehäusemantel bildet und getrennt von und im Abstand radial innen von dem Gehäuse (73) angeordnet ist,
• b) wenigstens eine Befestigungsstruktur (84) auf dem stationären Gehäuse (74), die einen Durchlaß (88) bildet, der sich zwischen den äußeren und inneren Gehäuseseiten erstreckt, wobei die Befestigungsstruktur (84) im Abstand radial außen von dem Mantelsegment (82) angeordnet ist, und
• c) einen Mantelsegment-Positioniermechanismus (86), der von dem Gehäuse (74) gehaltert ist, mit dem Mantelsegment (82) gekoppelt ist und betätigbar ist für eine Bewegung des Mantelsegments in Richtung auf die Rotorschaufelspitzen (76A) und von diesen weg, um eine Position relativ dazu zu erreichen, an der ein gewünschter Spalt zwischen dem Mantelsegment und den Rotorschaufelspitzen ausgebildet ist,
• d) wobei der Positioniermechanismus (86) aufweist:
  • (i) ein Halteteil (90), das durch den in der Befestigungsstruktur (84) ausgebildeten Durchlaß (88) angebracht ist für eine radiale Bewegung relativ zum Gehäuse und in Richtung auf die Rotorachse und von dieser weg, wobei das Halteteil (90) eine Längsachse und gegenüberliegende innere und äußere Enden aufweist und das Mantelsegment mit dem inneren Ende des Halteteils an der Innenseite des Gehäuses verbunden ist,
  • ii) eine Stelleinrichtung (94), die mit dem äußeren Ende des Halteteils (90) verbunden und an der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist, und
  • iii) eine Haltestruktur (96) auf dem stationären Gehäuse (74), die die Stelleinrichtung (94) neben der Befestigungsstruktur (96) anbringt für eine Schwenk- bzw. Drehbewegung um eine Achse, die im Abstand von und quer zur Längsachse des Halteteils (90) verläuft, wobei die Drehbewegung der Stelleinrichtung (94) um die Querachse eine radiale Bewegung des Halteteils (90) und des Mantelsegments (82) damit relativ zum Gehäuse und entlang der Längsachse in Richtung auf die Rotorschaufelspitzen und von diesen weg erzeugt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positioniermechanismus (86) einen Mantelhalter (92), der mit dem inneren Ende des Halteteils (90) verbunden ist, und mit axialem Abstand angeordnete Elemente aufweist für eine gleitende Aufnahme und Halterung des Mantelsegments an im Abstand angeordneten longitudinalen Randabschnitten davon.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil (90) eine zylindrische Welle aufweist, die sich durch den Durchlaß (88) der Befestigungsstruktur (84) erstreckt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsstruktur (84) ein ringförmiger Flansch ist, der von der Außenseite des Gehäuses (74) vorsteht, wobei der Durchlaß (88) in radialer Richtung durch den Flansch (85) zwischen den äußeren und inneren Gehäuseseiten ausgebildet ist und die Welle aufnimmt.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsstruktur (84) ferner ein zylindrisches Durchführungsteil (98) aufweist, das stationär durch den Durchlaß (88) angebracht ist und die zylindrische Welle haltert für eine radiale Gleit- bzw. Schiebebewegung entlang der Längsachse relativ zum Gehäuse.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchführungsteil (98) einen rohrförmigen Körper (98A), der eine innere Lagerfläche bildet, die mit der Stützwelle (90A) in einem gleitenden Eingriff steht, und einen ringförmigen Rand (98B) aufweist, der an dem äußeren Ende des rohrförmigen Körpers befestigt ist, wobei das Durchführungsteil (98) einen Sitz auf dem Flansch (85) an dem Rand (98B) bildet.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (94) einen Betätigungshebel (114) mit einem äußeren Schenkelabschnitt (114A) und einem inneren Schenkelabschnitt (114B) aufweist, der mit dem äußeren Schenkelabschnitt verbunden ist und sich quer dazu erstreckt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (94) weiterhin einen Koppler (116) aufweist, der auf dem äußeren Ende des Halteteils befestigt und schwenkbar mit dem inneren Schenkelabschnitt (114B) des Betätigungshebels (114) verbunden ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (94) weiterhin Mittel (118), (120) zum Einstellen der Position des Kopplers (116) entlang dem Halteteil (90) aufweist, um zunächst die axiale Position des Halteteils und dadurch den Raum zwischen dem Mantelsegment und den Schaufelspitzen auszubilden.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler (116) aufweist:
eine zentrale Nabe (133), die an dem äußeren Ende des Halteteils (90) angebracht ist, und
zwei Zapfenwellen (134), die mit der Nabe (132) verbunden sind und sich von dort in entgegengesetzte Richtungen erstrecken entlang einer gemeinsamen Achse und schwenkbar bzw. drehbar mit dem inneren Schenkelabschnitt (114B) des Betätigungshebels (114) verbunden sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Schenkelabschnitt (114B) des Betätigungshebels (114) zwei langgestreckte Schlitze (136) aufweist, die die entsprechenden Zapfenwellen (134) des Kopplers (116) aufnehmen für eine relative Bewegung zwischen den Zapfenwellen des Kopplers (116) und dem inneren Schenkelabschnitt des Betätigungshebels (114) für eine gleichzeitige Aufnahme einer im wesentlichen liniaren Bewegung des Halteteils (90) und einer Drehbewegung des Betätigungshebels (114).

12. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestruktur (96) eine Zapfenwelle ist, die mit dem Betätigungshebel (114) an einem Ellbogen (114D) schwenkbar verbunden ist, der durch die Schnittstelle der äußeren und inneren Schenkelabschnitte gebildet ist.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Befestigungssstruktur (84) auf dem stationären Gehäuse (74) mehrere in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Durchlässe (88) bildet, die sich zwischen den äußeren und inneren Seiten des Gehäuses erstrecken, wobei die Befestigungsstruktur radial außen von dem Mantelsegment (82) im Abstand angeordnet ist, und der Positioniermechanismus (86) aufweist:

• i) zwei in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Halteteile (90), die jeweils durch einen entsprechenden der durch die Befestigungsstruktur (84) gebildeten Kanäle (88) angebracht sind für eine radiale Bewegung relativ zum Gehäuse und in Richtung auf die Rotorachse und von dieser weg, wobei die Halteteile (90) jeweils eine Längsachse und gegenüberliegende innere und äußere Enden aufweisen,
• ii) einen Mantelhalter (92), der sich zwischen den inneren Enden der Halteteile (90) erstreckt und an seinen gegenüberliegenden Endabschnitten mit den Innenenden der Halteteile (90) schwenkbar verbunden ist, wobei der Mantelhalter (92) das Mantelsegment an der Innenseite des Gehäuses lösbar haltert,
• iii) zwei in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Stelleinrichtungen (94), die jeweils mit einem äußeren Ende von einem der Halteteile (90) verbunden und an der Außenseite des Gehäuses angeordnet sind, und
• iv) zwei Haltestrukturen (96) auf dem stationären Gehäuse, die jeweils eine der Stelleinrichtungen (94) neben der Besfestigungsstruktur anbringen für eine Drehbewegung um eine Achse, die im Abstand von und quer zur Längsachse des Halteteils angeordnet ist, wobei eine Drehbewegung von jeder der Stelleinrichtungen um eine Querachse eine radiale Bewegung des Halteteils und des Mantelsegments damit relativ zum Gehäuse und entlang der Längsachse in Richtung auf die Rotorschaufelspitzen und von diesen weg erzeugt.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Positioniermechanismus (86) ferner zwei lang gestreckte Stifte aufweist, die jeweils einen der gegenüberliegende Endabschnitte des Mantelhalters mit einem entsprechenden der Halteteile verbinden.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelhalter (92) mit axialem Abstand angeordnete Elemente aufweist für eine gleitende Aufnahme und Halterung des Mantelsegments an im Abstand angeordneten longitudinalen Randabschnitten davon.

16. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil (90) eine zylindrische Welle aufweist, die sich durch den Durchlaß (88) der Befestigungsstruktur (96) erstreckt.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsstruktur (96) ein ringförmige Flansch ist, der von der äußeren Gehäuseseite vorsteht, wobei die Durchlässe (88) in radialer Richtung durch den Flansch zwischen den äußeren und inneren Gehäuseseiten ausgebildet sind und die Welle aufnehmen.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsstruktur weiterhin mehrere zylindrische Durchführungsteile (94) aufweist, die stationär durch die entsprechenden Duchlässe (88) angebracht sind und die zylindrischen Wellen für eine radiale Gleit- bzw. Schiebebewegung entlang der Längsachse relativ zum Gehäuse haltern.

19. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stelleinrichtung (94) einen Betätigungshebel (114) mit einem äußeren Schenkelabschnitt und einem inneren Schenkelabschnitt aufweist, der mit dem äußeren Schenkelabschnitt verbunden ist und in Querrichtung dazu verläuft.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stelleinrichtung (94) weiterhin einen Koppler aufweist, der auf dem äußeren Ende von einem der Halteteile (90) angebracht und schwenkbar mit dem inneren Schenkelabschnitt des Betätigungshebels (114) verbunden ist.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stelleinrichtung (94) weiterhin Mittel zum Einstellen der Position des Kopplers entlang dem einen Halteteil aufweist, um zunächst die axiale Position des Halteteils und dadurch den Raum zwischen dem Mantelsegment und den Schaufelspitzen auszubilden.

22. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler aufweist:
eine zentrale Nabe, die an dem äußeren Ende von dem einen Halteteil angebracht ist, und
zwei Zapfenwellen, die mit der Nabe verbunden sind und sich von der Nabe in entgegengesetzte Richtungen entlang einer gemeinsamen Achse erstrecken und mit dem inneren Schenkelabschnitt des Betätigungshebels drehbar verbunden sind.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Schenkelabschnitt des Betätigungshebels zwei langgestreckte Schlitze aufweist, die die entsprechenden Zapfenwellen des Kopplers aufnehmen für eine relative Bewegung zwischen den Zapfenwellen des Kopplers und dem inneren Schenkelabschnitt des Betätigungshebels für eine gleichzeitige Aufnahme einer im wesentlichen liniaren Bewegung des Halteteils und einer Drehbewegung des Betätigungshebels.

24. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestruktur eine Zapfenwelle ist, die mit dem Betätigungshebel an einem Ellbogen schwenkbar verbunden ist, der durch die Schnittstelle der äußeren und inneren Schenkelabschnitte gebildet ist.