EP1373686B1 - Rotorspalt-steuermodul - Google Patents

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EP1373686B1
EP1373686B1 EP02729850A EP02729850A EP1373686B1 EP 1373686 B1 EP1373686 B1 EP 1373686B1 EP 02729850 A EP02729850 A EP 02729850A EP 02729850 A EP02729850 A EP 02729850A EP 1373686 B1 EP1373686 B1 EP 1373686B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
control module
rotor gap
gap control
module according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02729850A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1373686A1 (de
Inventor
Volker Schulte
Gerd Fritsch
Howard Hodson
Robert Howell
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP1373686A1 publication Critical patent/EP1373686A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1373686B1 publication Critical patent/EP1373686B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/22—Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/40—Use of a multiplicity of similar components

Definitions

  • the invention relates to a rotor gap control module for installation in a flow-through of a fluid in a main flow direction turbomachine having a rotatable rotor with each other in the direction of rotation of the rotor predetermined rotor blades and a rotor forming a rotor gap at least abschniftswelse surrounding housing, wherein the rotor gap Control module at least one of the rotor gap sections limiting and hineinbewegilchen in the rotor gap D) chtelement and an operating element, the sealing element moving actuator unit comprises.
  • Turbomachines, pumps, compressors or blowers for example, in turbomachines, pumps, compressors or blowers, the rotor gap between the stationary rotor housing and a rotating rotor is a source of flow losses and thus a cause of reduced efficiency.
  • the flow losses are caused by vortex formation and flow separation in or at the rotor gap, which also leads to an increased flow noise, on the other hand by a compensation flow, which is directed against the main flow direction by the rotor and limits the achievable pressure difference between the high pressure side and the low pressure side of the turbomachine.
  • a rotor gap would not exist. In practice, however, this is not possible, since in this case the tips of the rotor blades touch the housing and would grind on rotation of the rotor on the housing and thus wear.
  • This problem is particularly pronounced in turbomachines in which the rotors rotate at high speed and / or are exposed to high temperatures, such as in aircraft engines and gas turbines and exhaust gas turbocharger.
  • the rotor blade lengthens depending on the temperature and the speed.
  • the housing expands depending on the operating temperature. Through the rotor gap, the expansion of the housing and the elongation of the rotor blades are compensated, without it being possible for the turbomachine to be damaged.
  • the width of the rotor gap and thus the losses of the turbomachine thus change depending on the speed and the temperature in the current operating state.
  • the rotor gap is usually adjusted so that in a continuous operating point, in which the turbomachine is usually operated, the smallest possible rotor gap is present.
  • this continuous operating point is, for example, at cruising speed.
  • Gielchzeitig in the design of the pipe gap in practice Grenziast Schemee and start-up areas of the turbomachine are considered:
  • the rotor gap should be such that even under extreme conditions with acceptable flow losses damage to the rotor blade and housing can be avoided.
  • US Pat. No. 5,092,737 describes a device by means of which the wear in the start-up phase of a gas turbine, in which the housing and rotor heat up to different degrees, is reduced by a change in the rotor gap width.
  • the device described therein changes the rotor gap passively on the thermal expansion of controls in the opposite of the rotor housing wall of the gas turbine.
  • the coefficients of thermal expansion of the control elements are adapted to the operating conditions of the gas turbine such that the expansion of the housing matches the thermal expansion of the rotor blades at different operating temperatures.
  • the disadvantage of this passive system is that the rotor gap can be adapted only to the thermal expansion, but not to the equally important in practice elongation of the rotor blades under the action of centrifugal force. Also, the response time of this system is very slow.
  • the response time and also the possibilities for influencing the width of the rotor gap are improved in active systems, in which the rotor gap is actively changed by actuator units, compared to the passive systems.
  • No. 5,283,816 describes a device for rotor gap control for a radial compressor, in which the rotor gap takes place via a displacement of the rotor relative to the housing in the axial direction. This principle is structurally very complex and has only moderately fast response. In addition, the system of US 5, 263,816 is limited to radial flow machines.
  • the housing wall is pneumatically adjusted along several rows of Statorschaufein over several compressor stages.
  • a pressure chamber is provided behind the housing wall, which extends over a plurality of rotor and stator rows.
  • the device of US Pat. No. 5,781,333 also has housing segments which are moved in the direction of the rotor blades by pressurized chambers with compressed air. To increase the response, the pressure chamber is provided with vent valves for quick pressure equalization.
  • the active sealing device has sealing elements which arrange themselves close to a sealing disc without being in contact with the sealing disc to come when the sealing disc rotates.
  • the sealing surface is formed as a magnetic ring having circumferentially alternating, differently polarized areas. These areas generate upon rotation of the magnetic ring, a magnetic flux whose strength depends on the rotational speed of the magnetic ring.
  • the sealing elements are provided with coils which react to the strength of the magnetic field generated by the rotating ring and depending on the rotational speed and distance of the magnetic ring from the coils which move automatically to the magnetic ring or away.
  • the invention is therefore based on the object to improve the aforementioned rotor gap control module so that a faster response is achieved.
  • the inventive solution provides that the dimensions of the sealing element in the direction of rotation are substantially smaller than the distance between two successive rotor blades.
  • the sealing elements are so large that a plurality of sealing elements fits into the spacing of two successive rotor blades.
  • a further acceleration of the response can be achieved that correspond to the dimensions of the sealing element in the main flow direction at most the blade depth of a rotor blade in the main flow direction in a further preferred Attsgestaitung.
  • the sealing elements are preferably dimensioned so that a plurality of sealing elements over a depth of the blade, so in the sealing direction, can be staggered. Since most rotors have the largest pressure jump in the main flow direction, the direction of sealing in most cases corresponds to the main flow direction.
  • sealing elements can be controlled as individually as possible, that is, as little sealing elements as possible are assigned to an actuator unit.
  • the rotor gap control module should be easy to replace, without having to disassemble the entire turbomachine. This is fulfilled if, in an advantageous development of the invention, the dimension of the rotor gap control module in the direction of rotation of the rotor is smaller than the distance between two successive rotor blades. Compact installation dimensions are achieved even if the dimension of the rotor gap control module in the main flow direction corresponds at most to the blade depth of the rotor blade in the main flow direction.
  • a principle of the present invention is to provide the largest possible number of sealing elements in the rotor gap, in contrast to the conventional rotor gap control modules. Due to the large number of sealing elements in the rotor gap, the overall effect of all the sealing elements results in a good sealing of the rotor gap. Thus, a complex sealing of gaps and gaps between the sealing elements can be dispensed with.
  • the sealing elements can be arranged spaced from each other.
  • a plurality of sealing elements can be provided with a common enveloping body which is arranged between the sealing elements and the rotor and is movable together with the sealing elements.
  • the enveloping body can be made of a material with special mechanical properties, for example of an abrasion-resistant, high-temperature-resistant and / or substantially friction-free material in order to protect the sealing elements.
  • the sealing elements can be arranged spaced from each other, in particular without losses in the sealing effect, if they are staggered, arranged overlapping in the main flow direction.
  • the sealing elements can be arranged in the main flow direction in several rows.
  • the gaps between sealing elements in the one row are closed by the sealing elements in the other row.
  • the sealing effect in this arrangement is based on the creation of a "labyrinth" between the sealing elements, by which the flow resistance in the rotor gap is considerably increased. In order for a sealing effect can be achieved, which comes close to those of closed sealing surfaces, as they are known for adjusting the rotor gap from the prior art.
  • the actuator unit For movement of the sealing element in or out of the rotor gap, the actuator unit is arranged in the rotor gap control module, which exerts an operating force acting on the sealing element during operation.
  • the actuator unit generates the actuating force during operation under the influence of a fluid pressure, which differs from the fluid pressure in the region of the rotor of the turbomachine.
  • This fluid pressure can be introduced according to a further advantageous embodiment of the invention in an actuator chamber, which is connected to transmit power to the sealing element.
  • the actuator unit can furthermore have at least one overpressure chamber connected to a positive pressure source and / or one negative pressure chamber connected to a vacuum source in order to immediately supply the actuator chamber with corresponding step pressures for the one or more sealing elements or sealing elements associated with the actuator chamber.
  • Separate means for generating the negative pressure and the overpressure, such as pumps, can be omitted in an advantageous manner, when the overpressure chamber is connected to a high-pressure region of the turbomachine as an overpressure source and the vacuum chamber is connected to a low-pressure region of the turbomachine as a negative pressure source.
  • negative pressure and "overpressure” refer to the pressure prevailing in the area of the rotor.
  • the overpressure chamber may be surrounded by the vacuum chamber at least in sections. Since always hotter fluid is present in the overpressure chamber than in the vacuum chamber, overheating of the rotor gap control module is avoided by this arrangement.
  • the actuator unit may comprise at least one valve which is assigned between the actuator and the vacuum chamber and / or pressure chamber. If the valve is opened, optionally the pressure of the vacuum chamber and / or the overpressure chamber acts on the actuator chamber and leads to a corresponding actuation of the sealing element.
  • the sealing element has an elastic membrane as a sealing surface, which projects into the rotor gap in a bulged, bubble-shaped state and seals it at least in sections.
  • the sealing elements form bubbles; which bulge to reduce the rotor gap and flatten to increase. This embodiment allows a large stroke of the sealing elements, so the sealing of large gaps, without large adjustment forces.
  • the membrane is in operative connection with the actuator chamber in such a way that the pressure prevailing in the actuator chamber acts on the membrane.
  • a pressure line can lead from the actuator chamber to the membrane or else the actuator chamber can be delimited at least in sections by the membrane.
  • the membrane of the sealing element bulges before and forms a protruding into the rotor gap bubble.
  • a negative pressure d. H.
  • the membrane contracts due to their elasticity, the bubble is smaller and the rotor gap increases.
  • a development of the invention on the actuator unit may be provided with an input terminal via which, during operation of the actuator Rotor gap control module signals for actuating the sealing element are passed to the actuator unit.
  • the rotor gap control module may also include a power source in the form of a power generating means for providing electrical power to operate the rotor gap control module.
  • This energy source can preferably be in the form of a microturbine arranged between the vacuum chamber and the overpressure chamber.
  • a sensor unit having at least one gap measuring sensor and a signal output interface can be provided in the rotor gap control module.
  • a signal representative of the size of the rotor gap can be generated by the gap measuring sensor and can be output by the sensor unit via the signal output interface.
  • the rotor gap control module may comprise a position detection sensor by which the position of the sealing element in the rotor gap or relative to the counter-sealing surface formed by the rotor blade tips can be determined and output in the form of a signal via the output interface.
  • the rotor gap control device has at least one pressure sensor, by which the pressure in the actuator chamber and / or the fluid pressure in the rotor region in the turbomachine and / or the pressure difference between these two pressures can be detected and output via the signal output interface as a signal.
  • the rotor gap control module To set up a control circuit or a closed loop, the rotor gap control module according to a further advantageous embodiment, a control unit having an input interface, an output interface and a data processing unit.
  • the input interface of the control unit is connected to transmit data to the output interface of the sensor unit, so that the signals of the sensors of the sensor unit can be received by the control unit.
  • the output interface of the control unit is data-transmitting connected to the input interface of the actuator, so that the results of an evaluation the data can be output from the sensors of the sensor unit in the form of an actuation signal for the sealing element to the actuator unit.
  • the data processing unit processes the data output from the output interface in response to the data received via the input interface and generates a signal for actuating the actuator unit or the sealing elements.
  • All data lines can advantageously be constructed in the form of an unidirectional or bidirectional data bus.
  • control unit may have a data bus, via which it is connected in a data-transmitting manner with control units of further rotor gap modules.
  • This data bus may for example be the same data bus which also connects the output interface of the sensor unit and the input interface of the actuator unit with the control unit.
  • Such a microstructure system is preferably constructed in one piece from a silicon-containing material and consists of several functional layers. Examples of suitable materials are silicon, silicon carbide, silicon dioxide and silicon nitride.
  • Microstructure systems are fabricated by photolithographic techniques such as LIGA, bulk micromachining and surface micromachining, chemical vapor deposition, and wafer etching.
  • a membrane serving as a sealing element can be made of a thin film of silicon-containing material, for example silicon laminate.
  • silicon carbide has sufficient elasticity.
  • the microvalves can be made of a sillcium-containing material and integrated into the microstructure system.
  • control unit and / or the sensor unit are also integrated into the microsystem element when the rotor-parasitic control module is designed as a microstructure system.
  • this preferably has a standardized housing provided with standardized connections for data and pressure lines.
  • the housing may be surrounded with Isollermaterial for protection against overheating and / or vibrations and shocks.
  • a multiplicity of rotor gap modules are arranged in the region of the rotor gap.
  • These rotor paging modules may be connected to each other by a signal line so that their operation is synchronized.
  • a plurality of rotor gap control modules can be crosslinked so that a circumferentially subsequent Rotärspalt control module uses the sensor signals of a front in the direction of rotation rotor gap control module for controlling the own sealing elements.
  • the sensors of the rotor gap control modules can be used to check the function of the turbomachine, since the modules important operating parameters of the turbomachine, for example, the pressure in the rotor region, is measured.
  • the rotor gap control module is provided in an advantageous development with a further sensor that detects the vibrations of the passing rotor blade tips as a vibration sensor and outputs a signal that is representative of the frequency and / or amplitude of the vibrations of the rotor blade tips or the rotor blades.
  • the sensor may have an optical measuring element and / or a capacitive measuring element.
  • the sensor may operate on an ultrasound basis and include an ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic transducer can emit ultrasound waves directed at the rotor blades and / or the rotor blade tips and measure their reflections.
  • the raw data from the measurements of the vibration sensor are stored on an integrated memory chip.
  • This memory chip can be formed integrally with the rotor gap control module in a structure as a microstructure element and / or be integrated, for example, in the control unit.
  • the raw data can be transmitted to the evaluation unit via the data bus of the rotor gap control module in real time or, for example, after the end of an application of the turbomachine.
  • the data bus can be designed as a radio link, so that the data is output without contact.
  • a radio transmitter may be provided in the rotor gap control module and a radio receiver may also be provided in the case of a bidirectional data bus.
  • the transmission of operating parameters of the rotor gap control module via a radio link allows easy control and evaluation of the data of the rotor gap control module.
  • the vibration sensor together with the data transmission units of the data bus can be powered by the same energy source as the other units of the rotor gap control module.
  • the vibration sensors can be used in a continuation of the invention also for monitoring components other than the rotor blades.
  • the vibrations of waves, Statorblättem and housing elements and possibly also the vibrations of the sealing elements can be detected by the vibration sensors themselves.
  • the rotor gap control modules in an advantageous arrangement surround the rotor in a ring shape and form a sealing element field, in each of which a distance between two rotor blades is assigned a multiplicity of sealing elements.
  • an enveloping body may be provided, which is arranged between the rotor gap module and the rotor and is assigned to a plurality of rotor gap modules.
  • the enveloping body is coupled with the movement of the sealing elements and protects them by its position between the sealing elements and the rotor from damage.
  • the enveloping body may in particular be formed as an abrasion-resistant membrane.
  • the invention also provides a method for controlling the rotor gap, with which a relation to the prior art substantially improved response is achieved.
  • the rotor gap control modules according to the invention can also be used as sealing modules with substantially continuous counter-sealing surfaces, such as for the sealing of waves. Due to the possibility of active adjustment of the sealing gap or the contact pressure against the counter-sealing surface and the fast Response can be compensated for vibrations and eccentricities of the shaft, without sacrificing the sealing effect must be taken into account.
  • an aircraft engine 1 is shown as an example of a turbomachine, in which the rotor gap control modules according to the invention are used.
  • turbomachines are radial or axial fans, turbochargers, gas turbines, pumps and compressors.
  • turbomachines are traversed by a gaseous or liquid fluid in a main flow direction H.
  • the main flow direction H is substantially in the axial direction A.
  • a complex turbomachine such as the aircraft engine illustrated in FIG. 1, has a series of rotors R, which are surrounded by a respective housing G, forming a rotor gap S.
  • the rotor gap control modules according to the invention can be arranged on the hatched in Fig. 1 locations 2, 3.
  • the positions with the reference numeral 2 correspond to a housing-side arrangement of a rotor gap module, those with the reference numeral 3 a rotor-side arrangement of a rotor gap module.
  • FIG. 2 the cross section along the line II-II of Fig. 1 is shown schematically. This cross section is in the region of a rotor disk R v , which represents a compressor stage in front of a combustion chamber B of the aircraft engine.
  • the rotor blades rotate in the direction of rotation D.
  • the housing side, the rotor blades 5 are surrounded by a ring of rotor gap control modules 6.
  • the rotor gap control module is shown enlarged in Fig. 2, as well as in the remaining figures, for clarity, relative to the rotor and the rotor gap.
  • Typical dimensions for the dimensions of the rotor-pad control module are between 0.5 and 50 mm, preferably around 10 to 20 mm.
  • the rotor gap control module 6 has a housing 7, which surrounds the rotor gap control module 6 on all sides except for the rotor blades 5 facing side.
  • the housing 7 is constructed of a heat-roller-bearing and preferably also vibration-resistant material. Through the housing 7, the rotor gap control module can be handled as a self-sufficient unit. In order to be able to exchange the rotor gap control module 6 mechanically and electrically easily with other modules in the event of maintenance, all connections to the housing 7 are made standardized.
  • the portion of the rotor gap control module surrounded by the housing 7 is made of a microstructure system made of silicon or a silicon compound such as silicon nitride or silicon carbide. Conventional techniques of microstructure technology, such as LIGA, micromachining, etching, etc., may be used for fabrication.
  • the rotor blade control module 6 has sealing elements 8 which are designed so that they protrude into the rotor gap S in an operating position.
  • the sealing elements 8 are substantially smaller in the direction of rotation D of the rotor 5 than the distance T between two rotor blades.
  • the sealing elements 8 are formed from a thin membrane of silicon or a silicon-containing material, such as silicon carbide, and are connected via at least one pressure line 9 each with an actuator chamber 10.
  • the wall thickness of the membrane is dimensioned so that the membrane has a high elasticity.
  • the actuator chambers 10 of the respective sealing element 8 are separated from each other by a wall 11 in the embodiment of FIG. By assigning as few sealing elements 8 as possible to an actuator chamber 10, the sealing elements 8 can be controlled more precisely.
  • the sealing elements 8 together do not form a continuous sealing surface, which corresponds to the orbit U of the rotor blade tips 12, but discrete sealing surfaces, which are spaced apart and cooperate with the rotor blade spars as counter-sealing surfaces.
  • the sealing elements 8 are arranged staggered in several rows, so that the intermediate space 8 between two sealing elements of one row is covered by a sealing element 8 'of another row.
  • the actuator chamber 10 of a respective sealing element 8 is connected via a valve 13 to a pressure chamber 14.
  • the actuator chamber 10, the pressure chamber 14 and the valve 13 are components of a pneumatic, so compressed air operated, actuator unit of the rotor gap control module, through which the sealing element 8 is actively adjusted. Under an active adjustment is an adjustment to understand, is used for the energy from outside or from other areas of the turbomachine.
  • the valves 13 are in a production of the rotor gap control module in microstructure technology (MEMS, micro-electro-mechanical systems ) micro-valves, which are manufactured in one piece with the rotor gap control module.
  • MEMS microstructure technology
  • micro-valves micro-valves
  • valves 13 open the connection between a respective actuator chamber 10 and the pressure chamber 14 in response to a signal, so that pressure prevails in the actuator chamber 10 of the pressure prevailing in the pressure chamber 14.
  • the pressure chamber 14 is connected via a line 15 to a pressure source which is acted upon by a pressure P.
  • the housing 7 has a standardized connection element on, so that without special means a pressure line can be connected to the line 15.
  • Fig. 2 the module-shaped character of the rotor gap control module can be seen further.
  • the rotor control module glides in each case one unit that is largely self-sufficient and can be easily and inexpensively exchanged for similar modules.
  • Fig. 3 is a section along the line III-III of Fig. 2, that is, a running in the axial direction A section through a rotor gap control module.
  • Fig. 3 it can be seen that in the direction of the main flow H, the dimensions of the sealing elements are also substantially smaller than the component C of the chord of the rotor blade 5.
  • the sealing elements 8 form a field that leads in its entirety to a good seal of the rotor gap S.
  • a rotor blade tip 12 as a countercurrent surface are each associated with a plurality of sealing elements during their rotation.
  • each of these Aktuatorkammem is connected via a microvalve 13 to the pressure chamber 14.
  • Fig. 3 the membranes of the sealing elements 8 are shown in different in the rotor gap S extended position. These positions do not correspond to an actual operating state, but merely serve to illustrate the movement of the sealing elements 8, which results from a bubble-shaped swelling of the elastic membrane.
  • the rows of sealing elements 8 or sealing bubbles are staggered, so that a flow directed through the field of the sealing elements 8 encounters a very high flow resistance, which justifies the sealing effect of the sealing elements.
  • To increase the sealing effect can also be several rings Rotor gap control modules be present. These rings may be circumferentially displaced relative to one another such that the rotor gap control module of one ring covers the gap between two rotor gap control modules of the other ring.
  • the housing 7 forms fastening sections 17 which can be connected to corresponding sections of the housing 18 of the turbomachine.
  • the rotor gap S facing surface 16 of the rotor gap control element 6 preferably includes flush and gap-free with the housing member 18 from.
  • the rotor control module 6 is provided with a control unit 19 and a sensor unit 20 which In Fig. 3 are shown only schematically.
  • the sensor unit 20 has a pressure sensor (not shown) for detecting the pressure in the rotor gap, a further pressure sensor (not shown) for detecting the pressure in the actuator chamber and a gap measuring sensor (not shown), by means of which the size of the rotor gap S can be measured ,
  • the gap measuring sensor can operate on an optical or capacitive basis, preferably as a contact.
  • a vibration sensor (not shown) is further integrated, which detects the vibrations of the rotor blades R and / or the rotor blade tips 5 on optical, capacitive or acoustic (ultrasonic) paths.
  • vibration sensors may also be provided for detecting housing oscillations, hub or shaft vibrations and vibrations of the sealing element itself.
  • the sensor unit 20 is provided with an output interface, via which the respective sensors output signals which are representative of the measured variables respectively detected by them via a data line 21.
  • the data line 21 is connected to an input interface of the control unit 19.
  • the control unit 19 processes the data received from the sensor unit 20 and outputs output data in dependence on the input data and data stored in a memory to an output line 22 via an output interface.
  • the output line 22 is connected to the valves 13 of the actuator unit. In response to a corresponding signal from the output line 22, the valves 13 open and close.
  • an internal power source 22 may be present in the form of a means for generating power in the rotor gap control module. As shown in FIG. 3, this means may be in the form of a coil which generates energy via a magnetic field applied from the outside.
  • the control unit 20 further has a data bus 23, which is guided to the Gesimousesußenseltelte 7, so that via the bus can take place a connection with external control elements as well as with other rotor gap control modules.
  • the data lines 21 and 22 and the data bus 23 can also be part of a continuous data bus which connects all components of the rotor blade control module.
  • the power source, the microvalve actuator unit, the control unit 19 and the sensor unit 20 can all constitute elements of a rotor-gap control module constructed as a one-piece microsystem and can be constructed substantially simultaneously within a single manufacturing step.
  • the data bus can also be designed as a radio transmission link (not shown), in which the data are transmitted to the receiving station in the form of electromagnetic waves.
  • a transmitting unit is integrated in the control unit.
  • the control unit 20 is provided with a radio receiver.
  • FIG. 4 another embodiment of a rotor control module according to the invention is shown in an axial section.
  • the rotor gap control module 6 of FIG. 4 two pressure chambers 24, 25, wherein the one pressure chamber 24 is acted upon by a pressure P 1 overpressure chamber and the chamber 25 is acted upon by a negative pressure P 2 vacuum chamber.
  • the pressure P 1 is greater than the pressure P R in the region of the rotor gap.
  • the pressure P 2 is less than the pressure P R.
  • the pressure chamber 24 and the vacuum chamber 25 are each with two micro-valves 13 connected to the actuator chamber 10. By providing two valves, a rapid pressure equalization between each of the actuator chamber 10 and the lower or overpressure chamber 24, 25 is possible.
  • the overpressure chamber 24 is connected to a region of the turbomachine in which a higher pressure prevails during operation of the turbomachine than in the region of the rotor gap.
  • the vacuum chamber 25, however, is connected to a region of the turbomachine, which is acted upon during normal operation of the turbomachine with a lower pressure than the pressure in the region of the rotor gap.
  • FIG. 4 Another possibility of energy generation within the rotor gap control module is shown in FIG. 4:
  • the overpressure chamber 24 is connected to the vacuum chamber 25 via a microturbine 30, which may also be embodied in microstructure technology.
  • a microturbine 30 Through the micro-turbine 30, a steady equalizing flow between the pressure chamber 24 and the vacuum chamber 25 takes place, which drives the microturbine and contributes to the generation of energy for the control unit 19, the sensor unit 20 and the Mikroventfle 13 or the power supply of the rotor gap control module alone accomplished.
  • the micro-turbine 30 may be provided with a magnetic rotor 31, which generates power via a coil 32. This aspect of power generation is also advantageous regardless of the use of the rotor gap control module 6.
  • the compensation flow through the microturbine 30 is so low that the efficiency of the turbomachine is not affected.
  • a third embodiment of a rotor gap-stutter module according to the invention is shown. Again, for the sake of simplicity, only the differences from the preceding exemplary embodiments will be discussed, the same reference numerals being used for identical components as in the above exemplary embodiments.
  • a first difference of the third embodiment from the previous embodiments is that a plurality of sealing elements 8 are each surrounded by an enveloping body 35, which consists of an abrasion-resistant material.
  • the enveloping body 35 protects the sealing elements 8 from contact with the rotor blade tip 12. Regardless of the enveloping body 35, there is a further difference of the third embodiment from the preceding embodiments in the arrangement of the pressure chambers 24, 25th
  • the vacuum chamber 24 at least partially surrounds the overpressure chamber 25, so that the rotor gap control module does not overheat.
  • the rotor gap control module 6 of FIG. 5 also has no housing 7, but is already constructed as a microstructure block in the corresponding standardized form.
  • the gap sensor of the sensor unit 19 measures the size of the rotor gap between the rotor gap tip 12 and the sealing elements 8 and forwards the measured value to the control unit 19 via the data line 21.
  • the control unit 19 compares this measured value with programmed threshold values and outputs an output signal via the data line 22 to the actuator unit with the microvalves 13 as a function of this comparison.
  • the threshold values can be permanently stored in the control unit 19, or can be constantly updated via the data bus 23 as a function of the operating time.
  • the control unit 19 sends signals to the microvalves 13, which connect the vacuum chamber 24 with the actuator chamber 10. The air flows out of the actuator chamber as the pressure in the chamber lowers. The membrane of the sealing element 8 contracts so that the rotor gap S increases.
  • a plurality of threshold values can also be stored in the control unit 19, which in a further development are used to set the optimum rotor gap for these operating parameters as a function of the operating parameters currently prevailing in the turbomachine.
  • the sensor unit 20 permanently monitors the pressure in the actuator chamber and the size of the rotor gap. If it is determined during comparison by the control unit 19 that the predetermined rotor gap width is reached, then the opened microvalve 13 is closed again and the pressure in the actuator chamber is kept constant.
  • the control unit 19 opens the microvalves 13 which connect the actuator chamber 10 to the overpressure chamber 25. This increases the pressure in the actuator chamber 10, and the membranes of the sealing elements expand under the Druckelnhne and form a sealing bubble. The sealing elements expand in the direction of the rotor gap and reduce the gap. When the measured value of the rotor gap is again within the two thresholds, the open valve is closed again.
  • the upper threshold may be in the range of 0.3 to 2 mm, the lower threshold in the range of 0.1 to 0.7 mm.
  • an error signal can be output via the control unit 19. If the pressure of the actuator chamber 10 always coincides with the pressure P R in the region of the rotor, there is a leak and the element must be replaced.
  • the rotor gap control module automatically regulates the size of the rotor gap S to an optimum value under different operating conditions.
  • the logic in the control unit 19 is preferably limited to simple comparison arithmetic, so that the control unit is simple and the control algorithms can be executed quickly.
  • This functionality is complemented by the possibility of monitoring components of the turbomachine by other sensors, such as the vibration sensor.
  • the operating state of the turbomachine can be monitored during operation in order to warn in good time of component failures or to point out due maintenance work.
  • this can be Continuing to be optimized also an evaluation of the results of the operation of the turbomachine.
  • a plurality of rotor gap modules are mutually crosslinkable, so that a synchronized operation of a plurality of rotor gap control modules is achieved and the data of a single rotor gap control module other modules to refine the control can be provided.
  • the simple control logic and the small moving masses of the rotor gap control modules according to the invention allow a response that is in the range of the blade frequency of the rotor, so that it is possible to adapt the rotor gap to individual rotor blades.
  • FIGS. 6 and 7 another possible application of the rotor gap control modules in one of the above embodiments is shown as a shaft sealing module.
  • Fig. 6 shows an axial section through the shaft and the sealing modules.
  • a plurality of rows of rotor gap control modules can be arranged one behind the other.
  • the only difference with the rotor gap control module is that the mating surface is substantially continuous in this application.
  • the Dichtmödule are staggered, so that each fall a sealing element 8 "of a row in the area between two sealing modules 6 another row.
  • the sealing elements 8 can also touch the shaft surface 40 directly. Due to the Aufbiastik in the membrane, the contact pressure of the sealing elements is controlled on the counter-sealing surface in this way.
  • a Weliendichtmodul with the structure of the rotor gap control module of Fig. 5 in an axial section along the line VII-VII of Fig. 6 is shown.
  • the shaft forms a sealing shoulder 41, on which two rows of sealing modules joined together in a ring are formed, which are formed analogously to a rotor gap control module.
  • the sealing surface consists of a plurality of discrete surfaces and the sealing effect is based on an increase in the flow resistance in a movement of fluid particles through the sealing elements therethrough.
  • the rapid response of the sealing modules allows a good seal even with an eccentricity or bending vibrations of the shaft, since the sealing elements, as stated above the example of the rotor gap control, respond immediately to a movement of the shaft and thus a change in the sealing gap.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Rotor spalt Steuermodul zum Einbau in eine von einem Fluid In einer Hauptströmungsrichtung durchströmte Strömungsmaschine, welche einen drehbaren Rotor mit in Drehrichtung des Rotors zueinander vorbestimmt beabstandete Rotorblätter und ein den Rotor unter Ausbildung eines Rotorspaltes zumindest abschniftswelse umgebendes Gehäuse aufweist, wobei das Rotorspalt-Steuermodul wenigstens ein den Rotorspalt abschnittsweise begrenzendes und in den Rotorspalt hineinbewegilches D)chtelement und eine im Betrieb das Dichtelement bewegende Aktuatoreinheit umfasst.
  • Bei Strömungsmaschinen, hlerunterfallen beispielsweise Turbinen, Pumpen, Verdichter oder Gebläse, stellt der Rotorspalt zwischen stationärem Rotorgehäuse und rotierendem Rotor eine Quelle von Strömungsverlusten und damit eine Ursache für einen verringerten Wirkungsgrad dar. Die Strömungsverluste entstehen zum einen durch Wirbeibildung und Strömungsablösung im oder am Rotorspalt, was auch zu einem erhöhten Strömungslärm führt, zum anderen durch eine Ausgleichsströmung, die entgegen der Hauptströmungsrichtung durch den Rotor gerichtet ist und die erreichbare Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Strömungsmaschine beschränkt.
  • Bei einer idealen verlustfreien Strömungsmaschine wäre ein Rotorspalt nicht vorhanden. In der Praxis ist dies jedoch nicht möglich, da in diesem Fall die Spitzen der Rotorblätter das Gehäuse berühren und bei der Drehung des Rotors am Gehäuse schleifen und damit verschleißen würden. Besonders ausgeprägt ist dieses Problem bei Strömungsmaschinen, bei denen die Rotoren mit hoher Drehzahl umlaufen und/oder mit hohen Temperaturen beaufschlagt sind, wie beispielsweise bei Flugzeugtriebwerken und Gasturbinen sowie bei Abgasturboladem. Bei derartigen Strömungsmaschinen längt sich das Rotorblatt abhängig von der Temperatur und von der Drehzahl. Zusätzlich weitet sich das Gehäuse in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur. Durch den Rotorspalt werden die Ausdehnung des Gehäuses und die Längung der Rotorblätter kompensiert, ohne dass es zu einer Beschädigung der Strömungsmaschine kommen kann.
  • Die Weite des Rotorspalts und damit die Verluste der Strömungsmaschine ändern sich folglich in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Temperatur im gerade durchlaufenen Betriebszustand.
  • In der Praxis wird der Rotorspalt in der Regel so eingestellt, dass in einem Dauerbetriebspunkt, bei dem die Strömungsmaschine in der Regel betrieben wird, ein möglichst kleiner Rotorspalt vorliegt. Bei Flugzeugtriebwerken oder bei Abgasturboladern liegt dieser Dauerbetriebspunkt beispielsweise bei der Reisegeschwindigkeit. Gielchzeitig werden bei der Bemessung des Rohrspalts in der Praxis Grenziastbereiche und Anlaufbereiche der Strömungsmaschine berücksichtigt: Der Rotorspalt soll so bemessen sein, dass auch unter Extrembedingungen bei hinnehmbaren Strömungsverlusten Beschädigungen von Rotorblatt und Gehäuse vermieden werden.
  • In der Praxis wird also zugunsten eines möglichst guten Wirkungsgrades ein gewisser Verschleiß von Gehäuse und Rotorblatt durch das Anlaufen der Strömungsmaschine oder den Betrieb der Strömungsmaschine Im Grenziastenbareich in Kauf genommen.
  • Um in allen Betriebsbereichen der Strömungsmaschine einen optimalen Rotorspalt, also eine Rotorspaltweite, bei der Verschleiß und Strömungsverluste minimal sind, zu erzielen, sind im Stand der Technik einige Lösungen vorgeschlagen.
  • So ist in der US 5,092,737 eine Vorrichtung beschrieben, durch die der Verschleiß in der Anlaufphase einer Gasturbine, in der sich Gehäuse und Rotor unterschiedlich stark aufwärmen, durch eine Veränderung der Rotorspaltweite verringert wird. Die dort beschriebene Vorrichtung ändert den Rotorspalt passiv Ober die Wärmedehnung von Steuerelementen in der dem Rotor gegenüberliegenden Gehäusewandung der Gasturbine. Dabei sind die Wärmedehnungskoeffizienten der Steuerelemente so an die Betriebszustände der Gasturbine angepasst, dass die Ausdehnung des Gehäuses an die Wärmeausdehnung der Rotorblätter bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen übereinstimmt. Der Nachteil dieses passiven Systems liegt darin, dass der Rotorspalt lediglich an die Wärmeausdehnung, aber nicht an die in der Praxis genauso wichtige Längung der Rotorblätter unter Wirkung der Fliehkraft angepasst werden kann. Außerdem Ist die Ansprechzeit dieses Systems sehr langsam.
  • Die Ansprechzeit und auch die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Weite des Rotorspalts sind bei aktiven Systemen, bei denen der Rotorspalt durch Aktuatoreinheiten aktiv verändert wird, gegenüber den passiven Systemen verbessert.
  • In der US 5,906,473 ist ein aktives System für eine Gasturbine beschrieben, bei dem Teile des Gehäuses gegenüber dem Rotor selektiv gekühlt oder beheizt werden, um über die so kontrollierte Wärmedehnung des Gehäuses den Rotorspalt einzustellen. Der Nachteil dieses Systems liegt In der nach wie vor langsamen Ansprechzeit, da zu einer Änderung des Luftspalts zunächst das Gehäuse auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht werden muss. Bei raschen Änderungen des Betriebszustandes kann das System der US 5,906,473 den Rotorspalt nicht schnell genug anpassen. Allerdings scheint durch die aktive Beheizung der Gehäusewand eine Anpassung an eine sich langsam einstellende Längung der Rotorblätter unter Fliehkrafteinwirkung möglich.
  • Um das Ansprechverhalten bei der Einstellung des Rotorspaltes zu erhöhen und um eine direktere Steuerung des Rotorspaltes zu erreichen, werden beim System der US 5,104,287 und der US 5,096,375 mechanisch bewegte Gehäusesegmente gegenüberliegend den Rotorblättem eingesetzt. Die Gehäusesegmente sind zu einem Ring zusammengeschlossen und werden über Gewindestifte in Richtung der Rotorblätter radial bewegt, so dass sich der Ring zusammenzieht oder weitet, wenn sich die Gewindestifte drehen. Die Gewindestifte sämtlicher Gehäusesegmente werden zusammen über einen Synchronisierungsring betätigt und ermöglichen so eine gemeinsame und zeitgleiche Verstellung der Gehäusesegmente und damit eine Einstellung des Rotorspaltes. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist zum einen der enorme konstruktive und fertigungstechnische Aufwand, der notwendig wird, wenn eine nahezu spielfreie Verstellung der Segmente im Bereich weniger Zehntel Millimeter angestrebt wird, und zum anderen die nach wie vor langsame Ansprechzeit.
  • In der US 5,283,816 ist eine Vorrichtung zur Rotorspaltsteuerung für einen Radialverdichter beschrieben, bei weicher der Rotorspalt über eine Verschiebung des Rotors gegenüber dem Gehäuse in axialer Richtung stattfindet. Auch dieses Prinzip ist konstruktiv sehr aufwändig und weist ein nur mäßig schnelles Ansprechverhalten auf. Darüber hinaus ist das System der US 5, 263,816 auf Radial-Strömungsmaschinen beschränkt.
  • In der US 5,545,007 ist ein Ring aus Gehäusesegmenten gegenüberliegend den Rotorblättern beschrieben, der durch piezoelektrische Elemente zusammenziehbar und aufweitbar ist. Über Näherungssensoren wird die Weite des Rotorspalts zwischen Rotorblattspitzen und Gehäusesegmenten bestimmt und die zwischen dem Segmentring. Die stationären, an einer gehäuseseitigen Halterung angeordneten Plezoelemente werden dann In Abhängigkeit vom gemessenen Rotorspalt mit einer Spannung beaufschlagt, so dass aufgrund der Elektrorestriktion der Piezoelemente die Segmente des Ringes in Richtung zu oder in Richtung weg von den Rotorblättern bewegt werden. Der Nachteil des Systems der US 5,545,007 liegt In der mangelnden Stabilität des Segmentrings, da dieser ausschließlich von den plezoelektrischen Elementen gehalten wird.
  • Weitere Vorrichtungen zur Rotorspalteinstellung sind in der US 4,247,247 sowie in der US 4,683,716, der US 5,211,534, der US 5,871,333 und der DE-A-2 922 835 gezeigt.
  • In der US 4,247,247 ist eine Axialströmungsturbine gezeigt, bei der das Gehäuse gegenüber den Rotoren einen Ring mit einer dünnen, biegsamen Wand aufweist. Hinter der dünnen Wand sind ringförmige Druckkammern angeordnet, die mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden können. Überschreitet der Druck in den Druckkammern den Druck in der Axiaiströmungsturbine, so wölbt sich die Wand kontrolliert vor und verkleinert den Rotorspalt. Die Druckkammern werden dabei so mit Druck beaufschlagt, dass sich der Rotorspalt in Strömungsrichtung verkleinert.
  • Bei der Gasturbine der US 4,683,718 wird die Gehäusewand mitsamt mehreren Reihen von Statorschaufein über mehrere Verdichterstufen hinweg pneumatisch verstellt. Hierzu ist eine Druckkammer hinter der Gehäusewandung vorgesehen, die sich über mehrere Rotor und Statorreihen erstreck. Durch Zuführen von niedrigem Druck oder hohem Druck in die Druckkammer wird vermieden, dass sich die Rotorschaufein bel Anlaufvorgängen an der Gehäusewandung reiben.
  • Bei der US 5,211,534 wird der Rotorspalt ebenfalls pneumatisch verstellt. Ein aus radial verschieblichen Ringsegmenten zusammengesetzter Dichtring um den Rotor wird unter Einwirkung von Druckluft auf die starren Ringsegmente zusammengezogen oder geweitet wird.
  • Auch die Vorrichtung der US 5,781,333 weist Gehäusesegmente auf, die über eine Beaufschlagung von Druckkammern mit Druckluft in Richtung der Rotorblätter bewegt werden. Um das Ansprechverhalten zu erhöhen, ist die Druckkammer mit Entlüftungsventilen zum schnellen Druckausgleich versehen.
  • Bei den Systemen der US 4,247,247, der US 4,683,716, der US 5,211,534 und der US 5,871,333 ist nachteilig, dass eine schnelle und selektive Verstellung des Rotorspalts nicht möglich ist.
  • In der US 6,142,477 ist eine aktive Dichtvorrichtung beschrieben, die für die Abdichtung von Lagern bei Gasturbinen verwendet wird. Die aktive Dichteinrichtung weist Dichtelemente auf, die sich von selbst nahe einer Dichtscheibe anordnen, ohne in Kontakt mit der Dichtscheibe zu kommen, wenn sich die Dichtscheibe dreht. Hierzu Ist die Dichtfläche als ein Magnetring ausgebildet, der In Umfangsrichtung sich abwechselnde, unterschiedlich polarisierte Bereiche aufweist. Diese Bereiche erzeugen bei Drehung des Magnetringes einen magnetischen Fluss, dessen Stärke von der Drehgeschwindigkeit des Magnetringes abhängt. Die Dichtelemente sind mit Spulen versehen, die auf die Stärke des vom sich drehenden Ring erzeugten Magnetfeldes reagieren und je nach Drehgeschwindigkeit und Entfernung des Magnetringes von den Spulen die selbsttätig an den Magnetring oder von diesem weg bewegen. Das System der US 6,142,477 ist so In der Lage, automatisch auf eine Änderung des Dichtspaltes zu reagieren. Allerdings geht aus der US 6,142,477 nicht hervor, wie dieses System zur Einstellung eines Rotorspalts verwendet werden kann, da für die Funktion dieses Systems an der einen, den Dichtelementen gegenüberliegenden Gegendichtfläche stets ein durchgängiger Magnetring nötig ist.
  • Zusammengefasst ist also aus dem oben genannten Stand der Technik keine Vorrichtung bekannt, bei der das Ansprechverhalten eine schnelle Einstellung des Rotorspatts ermöglicht.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Rotorspalt-Steuermodul so zu verbessern, dass ein schnelleres Ansprechverhalten erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch das Rötorspaft-Steuermodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäße dadurch gelöst, dass die Abmessung des Dichtelementes In Drehrichtung kleiner als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter ist.
  • Diese Lösung ist einfach und aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Sämtliche oben genannten Druckschriften weisen kreissegmentförmige Dichtelemente auf, deren Abmessungen in Drehrichtung größer als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter sind. Dadurch sind die bewegten Massen bei den herkömmlichen Systemen zur Einstellung des Rotorspaltes so groß, dass sie auf Änderungen des Rotorspaltes nur langsam reagieren können. Außerdem ist es aufgrund der Erstreckung der herkömmlichen Gehäusesegmente Ober mehrere Rotorblätter nicht möglich, den Rotorspalt bei asymmetrischer oder elliptischer Verformung des Rotors oder des Gehäuses gezielt an zupassen.
  • Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße, konstruktiv einfache Lösung vermieden: Durch die erfindungsgemäßen Abmessungen des Dichtelements sind die bewägten Massen des Dichtelements kleiner und können wesentlich schneller bewegt werden.
  • Die erfindurigsgemäße Lösung sieht dabei vor, dass die Abmessungen des Dichtelements In Drehrichtung wesentlich kleiner als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter sind. Vorzugsweise sind die Dichtelemente so groß, dass eine Vielzahl von Dichtelementen in den Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter hineinpasst.
  • Eine weitere Beschleunigung des Ansprechverhaltens kann dadurch erreicht werden, dass in einer weiteren vorzugsweisen Attsgestaitung die Abmessungen des Dichtelementes in Hauptströmungsrichtung höchstens der Schaufeltiefe eines Rotorblatts in Hauptströmungsrichtung entsprechen. Durch diese Maßnahme werden die bewegten Massen nochmals verringert. Die Dichtelemente sind dabei vorzugsweise so bemessen, dass eine Mehrzahl von Dichtelementen über eine Schaufettiefe, also in Dichtrichtung, gestaffelt angeordnet werden können. Da bei den meisten Rotoren der größte Drucksprung in Hauptströmungsrichtung stattfindet, entspricht die Dichtrichtung in den meisten Fällen der Hauptströmungsrichtung.
  • Eine sehr präzise und schnelle Anpassung des Rotorspalts ist dann möglich, wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Dichtelemente möglichst einzeln angesteuert werden können, also einer Aktuatoreinheit so wenig Dichtelemente wie möglich zugeordnet sind.
  • Zu Wartungszwecken soll das Rotorspalt-Steuermödul einfach auszutauschen sein, ohne dass bei die gesamte Strömungsmaschine zerlegt werden muss. Dies ist dann erfüllt, wenn In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Abmessung des Rotorspalt-Steuermoduls in Drehrichtung des Rotors kleiner als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter ist. Kompakte Einbaumaße werden auch dann erzielt, wenn die Abmessung des Rotorspalt-Steuermoduls in Hauptströmungsrichtung höchstens der Schaufeltiefe des Rotorblatts in Hauptströmungsrichtung entspricht.
  • Ein Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, im Gegensatz zu den herkömmlichen Rotorspalt-Steuermodulen eine möglichst große Anzahl von Dichtelementen im Rotorspalt vorzusehen. Durch die Vielzahl der Dichtelemente im Rotorspait tritt durch die Gesamtwirkung aller Dichtelemente eine gute Abdichtung des Rotorspalts ein. Somit kann auf eine aufwändige Abdichtung von Spalten und Lücken zwischen den Dichtelementen verzichtet werden.
  • In einer Weiterbildung können die Dichtelemente voneinander beabstandet angeordnet sein. Dabei können allerdings auch mehrere Dichtelemente mit einem gemeinsamen Hüllkörper versehen sein, der zwischen den Dichtelementen und dem Rotor angeordnet ist und zusammen mit den Dichtelementen beweglich ist. Der Hüllkörper kann aus einem Material mit besonderen mechanischen Eigenschaften gefertigt sein, beispielsweise aus einem abriebfesten, hochtemperaturbeständigen und/oder weitgehend reibungsfreien Material, um die Dichtelemente zu schützen.
  • Die Dichtelemente können insbesondere dann ohne Verluste in der Dichtwirkung voneinander beabstandet angeordnet sein, wenn sie gestaffelt, sich in Hauptströmungsrichtung überlappend angeordnet sind. Hierzu können die Dichtelemente in Hauptströmungsrichtung in mehreren Reihen angeordnet sein. So werden die Lücken zwischen Dichtelemente in der einen Reihe durch die Dichtelemente in der anderen Reihe geschlossen. Die Dichtwirkung bei dieser Anordnung beruht auf der Schaffung eines "Labyrinths" zwischen den Dichtelementen, durch das der Strömungswiderstand im Rotorspalt erheblich erhöht wird. Damit ist eine Dichtwirkung erzielbar, die an die von geschlossenen Dichtflächen, wie sie zur Einstellung des Rotorspalts aus dem Stand der Technik bekannt sind, herankommt.
  • Zur Bewegung des Dichtelementes in oder aus den Rotorspalt ist die Aktuatoreinheit im Rotorspalt-Steuermodul angeordnet, die im Betrieb eine auf das Dichtelement wirkende Betätigungskraft ausübt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung erzeugt die Aktuatoreinheit die Betätigungskraft im Betrieb unter Einwirkung eines Fluiddruckes, der sich vom Fluiddruck im Bereich des Rotors der Strömungsmaschine unterscheidet. Dieser Fluiddruck kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in eine Aktuatorkammer eingeleitet werden, die mit dem Dichtelement kraftübertragend verbunden ist.
  • Die Aktuatoreinheit kann des Weiteren wenigstens eine mit einer Überdruckquelle verbundene Überdruckkammer und/oder eine mit einer Unterdruckquelle verbundene Unterdruckkammer aufweisen, um der Aktuatorkammer ohne lange Wege sofort entsprechende Steildrücke für das oder die der Aktuatorkammer zugeordnete Dichtelement oder Dichtelemente zuzuleiten. Auf separate Mittel zur Erzeugung des Unterdrucks und des Überdrucks, wie beispielsweise Pumpen, kann in vorteilhäfter Weise verzichtet werden, wenn die Überdruckkammer mit einem Hochdruckbereich der Strömungsmaschine als Überdruckquelle und die Unterdruckkammer mit einem Niederdruckbereich der Strömungsmaschine als Unterdruckquelle verbunden ist. In diesem Zusammenhang beziehen sich die Begriffe "Unterdruck" und "Überdruck" auf den Im Bereich des Rotors herrschenden Druck.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Überdruckkammer von der Unterdruckkammer zumindest abschnittsweise umgeben sein. Da in der Überdruckkammer stets heißeres Fluid vorhanden ist als in der Unterdruckkammer, wird durch diese Anordnung eine zu starke Aufheizung des Rotorspalt-Steuermoduls vermieden.
  • Zur wechselwelsen Beaufschlagung der Aktuatorkammer mit Überdruck bzw. Unterdruck kann die Aktuatoreinheit wenigstens ein Ventil aufweisen, das zwischen der Aktuatorkammer und der Unterdruckkammer und/oder Überdruckkammer zugeordnet ist. Wird das Ventil geöffnet, so wirkt wahlweise der Druck der Unterdruckkammer und/oder der Überdruckkammer auf die Aktuatorkammer und führt zu einer entsprechenden Betätigung des Dichtelements.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Dichtelement eine elastische Membran als Dichtfläche auf, die in einem vorgewölbten, blasenförmigen Zustand in den Rotorspalt hineinragt und diesen zumindest abschnittsweise abdichtet. Bei dieser Ausführung-bilden die Dichtelemente-einzeine Blasen; die sich zur Verkleinerung des Rotorspaltes aufwölben und zur Vergrößerung abflachen. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen großen Hub der Dichtelemente, also die Abdichtung großer Spaltmaße, ohne große Verstellkräfte.
  • Die Membran steht mit der Aktuatorkammer so in Wirkverbindung, dass der in der Aktuatorkammer herrschende Druck auf die Membran wirkt. Hierzu kann eine Druckleitung von der Aktuatorkammer zur Membran führen oder aber die Aktuatorkammer zumindest abschnittsweise von der Membran begrenzt sein.
  • Ist die Aktuatorkammer mit einem Überdruck, d. h. einem höheren Druck als im Rotorspalt, beaufschlagt, so wölbt sich die Membran des Dichtelements vor und bildet eine In den Rotorspalt ragende Blase. Bei einem Unterdruck, d. h. einem geringeren Druck als Im Rotorspalt, so zieht sich die Membran aufgrund Ihrer Etgenelastizität zusammen, die Blase wird kleiner und der Rotorspalt vergrößert sich.
  • Um die Aktuatoreinheit steuem zu können, kann einer Weiterbildung der Erfindung an der Aktuatoreinheit eine Eingangssehnittstelle vorgesehen sein, über die im Betrieb des Rotorspalt-Steuermoduls Signale zur Betätigung des Dichtelements an die Aktuatoreinheit geleitet sind.
  • Das Rotorspalt-Steuermodul kann außerdem eine Energiequelle in Form eines Mittels zur Stromerzeugung aufweisen, mit dem elektrische Energie zum Betrieb des Rotorspalt-Steuermoduls bereitgestellt wird. Diese Energiequelle kann vorzugsweise in Form einer zwischen der Unterdruckkammer und der Überdruckkammer angeordneten Mikroturbine ausgebildet sein.
  • Ferner kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung in das Rotorspalt-Steuermodul eine Sensoreinheit mit wenigstens einem Spaltmesssensor und einer Signalausgangsschnittstelle vorgesehen sein. Durch diese Ausgestaltung ist die Größe des Rotorspalts in der Nähe des Dichtelements, also in der näheren Umgebung derjenigen Stelle, an der der Rotorspalt verändert wird, gemessen. Dabei ist durch den Spaltmesssensor ein für die Größe des Rotorspaltes repräsentatives Signal erzeugbar und von der Sensoreinheit über die Signalausgangsschnittstelle ausgebbar.
  • Ebenso kann das Rotorspalt-Steuermodul einen Lageerfassungssensor aufweisen, durch den die Lage des Dichtelementes im Rotorspalt bzw. relativ zu der von den Rotorblattspitzen gebildeten Gegendichtfläche bestimmbar und in Form eines Signals über die Ausgangsschnittstelle ausgebbar ist.
  • Wenn das Dichtelement pneumatisch betrieben wird, so ist es von Vorteil, wenn die 1 Rotorspalt-Steuervorrichtung wenigstens einen Drucksensor aufweist, durch den der Druck in der Aktuatorkammer und/oder der Fluiddruck im Rotorbereich in der Strömungsmaschine und/oder die Druckdifferenz zwischen diesen beiden Drücken erfassbar und über die Signalausgangsschnittstelle als Signal ausgebbar ist.
  • Zum Aufbau eines Steuerkreises bzw. geschlossenen Regelkreises kann das Rotorspalt-Steuermodul gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine Steuereinheit mit einer Eingangsschnittstelle, einer Ausgangsschnittstelle und einer Datenverarbeitungseinheit aufweisen. Die Eingangsschnittstelle der Steuereinheit ist dabei mit der Ausgangsschnittstelle der Sensoreinheit datenübertragend verbunden, so dass die Signale der Sensoren der Sensoreinheit von der Steuereinheit empfangen werden können. Die Ausgangsschnittstelle der Steuereinheit ist mit der Eingangsschnittstelle der Aktuatoreinheit datenübertragend verbunden, so dass die Ergebnisse einer Auswertung der Daten von den Sensoren der Sensoreinheit in Form eines Betätlgungssignals für das Dichtelement an die Aktuatoreinheit ausgegeben werden können.
  • Die Datenverarbeitungseinheit verarbeitet die Ober die Ausgangsschnittstelle ausgegebenen Daten In Abhängigkeit von den über die Eingangsschnittstelle empfangenen Daten und erzeugt ein Signal zur Betätigung der Aktuatoreinheit bzw, der Dichtelemente. Sämtliche Datenleitungen können dabei vorteilhaft in Form eines unldirektionalen oder bidirektionalen Datenbusses aufgebaut sein.
  • Ferner kann die Steuereinheit einen Datenbus aufweisen, über den sie mit Steuereinheiten weiterer Rotorspaltmodule datenübertragend verbunden ist. Dieser Datenbus kann beispielsweise derselbe Datenbus sein, der auch die Ausgangsschnittstelle der Sensoreinheit und die Eingangsschnittstelle der Aktuatoreinheit-mit der Steuereinheit , verbindet.
  • Besonders vorteilhafte Größenverhältnisse, die aufgrund der bewegten Massen und aufgrund der kurzen Leitungswege extrem schnelle Ansprechzeiten im Bereich der Blattfrequenz des Rotors, der sogenannten blade passing frequency, ergeben, werden erreicht, wenn das Rotorblatt-Steuermodul als ein Mikrostruktursystem ausgebildet ist, in das Dichtelement und Aktuatoreinheit integriert sind. Ein derartiges Mikrostruktursystem ist vorzugsweise einstückig aus einem siliciumhaltigen Werkstoff aufgebaut und besteht aus mehreren funktionellen Schichten. Beispiele für geeignete Werkstoffe sind Silicium, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid und Siliciumnitrid.
  • Mikrostruktursysteme werden durch photolithographische Verfahren, wie LIGA, durch Bulk-Micromachining und Surface-Micromachining, Dünnfilmablagerung (chemical vapor deposition) und Ätzen aus Wafern hergestellt. Beim Aufbau des Rotorspalt-Steuermoduls als Mikrostruktursystem kann insbesondere eine als Dichtelement dienende Membran aus einem dünnen Film siliciumhaltigen Werkstoffes, beispielsweise Siliclurncarbld, gefertigt sein. Bei extrem dünner Ausbildung der Membran weist Silicium-carbid eine ausreichende Elastizität auf. Ebenso können die Mikroventile aus einem sillciumhaltigen Werkstoff gefertigt und in das Mikrostruktursystem integriert sein.
  • Vorteilhaft werden bei der Ausbildung des Rotorspait-Steuemioduls als Mikrostruktursystem auch gleich die Steuereinheit und/oder die Sensoreinheit in das Mikrosystemelement integriert.
  • Um eine nachträgliche Ausrüstung und eine leichte Austauschbarkeit des Rotorspalt-Steuermoduls zu ermöglichen, weist dieses vorzugsweise ein standardisiertes Gehäuse auf, das mit standardisierten Anschlüssen für Daten- und Druckleitungen versehen ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Gehäuse mit Isollermaterial zum Schutz gegen Überhitzung und/oder Schwingungen und Stöße umgeben sein.
  • Erfindungsgemäß Ist in einer Strömungsmaschine mit einem Rotor und einem den Rotor unter Ausbildung eines Rotorspalt umgebenden Gehäuse, wobei sich im Betrieb der Rotor gegenüber dem Gehäuse dreht, im Bereich des Rotorspaltes eine Vielzahl von Rotorspaltmodulen nach einer der obigen Ausgestaltungen angeordnet. Diese Rotorspaitmodule können miteinander durch eine Signalleitung verbunden sein, so dass ihre Betätigung synchronisiert erfolgt. Beispielsweise können mehrere Rotorspalt-Steuermodule so vemetzt sein, dass ein in Umfangsrichtung nachfolgendes Rotärspalt-Steuermodul die Sensorsignale eines im Drehrichtung davor liegenden Rotorspalt-Steuermoduls zur Steuerung der eigenen Dichtelemente verwendet.
  • Außerdem kann die Sensorik der Rotorspalt-Steuermodule zur Funktionskontrolle der Strömungsmaschine eingesetzt werden, da von den Modulen wichtige Betriebsparameter der Strömungsmaschine, beispielsweise der Druck im Rotorbereich, gemessen wird.
  • Hierzu ist das Rotorspalt-Steuermodul in einer vorteilhaften Weiterbildung mit einem weiteren Sensor versehen, der als Schwingungssensor die Schwingungen der vorbeifahrenden Rotorblattspitzen erfasst und ein Signal ausgibt, das repräsentativ für die Frequenz und/oder Amplitude der Schwingungen der Rotorblattspitzen oder der Rotorblätter ist. Hierzu kann der Sensor ein optisches Messelement und/oder ein kapazitives Messelement aufweisen. Alternativ kann der Sensor auf Ultraschallbasis arbeiten und einen Ultraschallwandler aufweisen. Beispielsweise kann der Ultraschallwandler auf die Rotorblätter und/oder die Rotorblattspitzen gerichtete Ultraschallwellen aussenden und deren Reflektionen messen.
  • Die Rohdaten der Messungen des Schwingungssensors werden auf einem integrierten Speicherchip abgelegt. Dieser Speicherchip kann bei einem Aufbau als Mikrostrukturelement einstückig mit dem Rotorspalt-Steuermodul ausgebildet und/oder beispielsweise in die Steuereinheit integriert sein. Die Rohdaten können Ober den Datenbus des Rotorspalt-Steuermodul in Echtzeit oder beispleiswelse nach Ende eines Einsatzes der Strömungsmaschine an eine Auswerteeinheit übertragen werden. Insbesondere kann der Datenbus dabei als eine Funkstrecke ausgebildet sein, so dass die Daten berührungsfrei ausgegeben werden. Hierzu kann in dem Rotorspalt-Steuermodul ein Funksender und bei einem bidirektionalen Datenbus auch ein Funkempfänger vorgesehen sein. Insbesondere die Übertragung von Betriebsparametern des Rotorspalt-Steuermoduls über eine Funkstrecke ermöglicht eine einfache Steuerung und Auswertung der Daten des Rotorspalt-Steuermoduls.
  • Der Schwingungssensor mitsamt den Datenübertragungseinheiten des Datenbusses können von derselben Energiequelle wie die anderen Einheiten des Rotorspalt-Steuermoduls mit Energie versorgt werden.
  • Die Schwingungssensoren können in einer Weiterführung der Erfindung auch zur Überwachung anderer Bauteile als den Rotorblättern eingesetzt werden. Beispielsweise lassen sich die Schwingungen von Wellen, Statorblättem und Gehäuseelementen sowie gegebenenfalls auch die Schwingungen der Dichtelemente selber durch die Schwingungssensoren erfassen.
  • Die Rotorspalt-Steuermodule umgeben in einer vorteilhaften Anordnung den Rotor ringförmig und bilden ein Dichtelementfeld, bei dem jeweils einem Abstand zwischen zwei Rotorblättern eine Vielzahl von Dichtelementen zugeordnet ist.
  • Um die Dichtelemente zu schützen, kann ein Hüllkörper vorgesehen sein, der zwischen dem Rotorspaltmodul und dem Rotor angeordnet ist und mehreren Rotorspaltmodulen zugeordnet ist. Der Hüllkörper Ist mit der Bewegung der Dichtelemente gekoppelt und schützt diese durch seine Lage zwischen den Dichtelementen und dem Rotor vor Beschädigung. Der Hüllkörper kann insbesondere als eine abriebfeste Membran ausgebildet sein.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Steuerung des Rotorspalts, mit dem ein gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbessertes Ansprechverhalten erzielt wird.
  • Unabhängig von der Verwendung zur Einstellung eines Rotorspalts In Strömungsmaschinen können die erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermodule auch als Dichtmodule bei im wesentlichen durchgängigen Gegendichtflächen, wie beispielsweise zur Abdichtung von Wellen verwendet werden. Durch die Möglichkeit der aktiven Einstellung des Dichtspaltes oder der Anpresskraft gegen die Gegendichtfläche und durch das schnelle Ansprechverhalten können Schwingungen und Exzentrizitäten der Welle ausgeglichen werden, ohne dass Einbußen bei der Dichtwirkung in Kauf genommen werden müssen.
  • Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermoduls anhand eines Ausführungsbelsplels genauer erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Flugzeugtriebwerk als ein Beispiel für eine in einer Hauptströmungsrichung durchströmten Strömungsmaschine, bei der das erfindungsgemäße Rotorspalt-Steuermodul eingesetzt wird;
    Fig. 2
    ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermoduls in einem Schnitt quer zur Hauptströmungsrichtung entlang der Linie II-II der Fig.1;
    Fig: 3
    das Rotorspalt-Steuermodul der Fig. 2 in einem Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2;
    Fig. 4
    ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermoduls in einer Ansicht entsprechend Fig. 3;
    Fig. 5
    ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermoduls in einer Ansicht entsprechend Fig. 3;
    Fig. 6
    ein viertes-Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermoduls als Wellendichtmodul in einer Ansicht entsprechend Fig. 3;
    Fig. 7
    das vierte Ausführungsbeispiel in einer Ansicht entlang der Linie VII-VII der Fig. 6.
  • In Fig. 1 ist ein Flugzeugtriebwerk 1 als Beispiel einer Strömungsmaschine dargestellt, bei der die erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermodule verwendet werden. Weitere Beispiele von Strömungsmaschinen sind Radial- oder Axialgebläse, Turbolader, Gasturbinen, Pumpen und Kompressoren.
  • Alle diese Strömungsmaschinen werden von einem gasförmigen oder flüssigen Fluid in einer Hauptströmungsrichtung H durchströmt. Beim Beispiel der Fig. 1 verläuft die Hauptströmungsrichtung H im Wesentlichen In axialer Richtung A.
  • Eine so komplexe Strömungsmaschine, wie das in Fig. 1 dargestellte Flugzeugtriebwerk, weist eine Reihe von Rotoren R auf, die von jeweils einem Gehäuse G unter Ausbildung eines Rotorspalts S umgeben sind.
  • Die erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermodule können an den in Fig. 1 schraffierten Stellen 2, 3 angeordnet sein. Die Stellen mit dem Bezugszeichen 2 entsprechen dabei einer gehäuseseitigen Anordnung eines Rotorspaltmoduls, diejenigen mit dem Bezugszeichen 3 einer rotorseitigen Anordnung eines Rotorspaltmoduls.
  • In Fig. 2 ist schematisch der Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 dargestellt. Dieser Querschnitt liegt im Bereich einer Rotorscheibe Rv, die eine Verdichterstufe vor einer Brennkammer B des Flugzeugtriebwerkes darstellt.
  • Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, weist der Rotor Rv der Verdichterstufe Rotorblätter 5 auf, die in einem vorbestimmten Abstand T zueinander angeordnet sind. Die Rotorblätter drehen sich in Drehrichtung D. Gehäuseseitig sind die Rotorblätter 5 mit einem Ring aus Rotorspalt-Steuermodulen 6 umgeben. Das Rotorspalt-Steuermodul ist in der Fig. 2, wie auch in den restlichen Figuren, der deutlicheren Darstellung wegen gegenüber dem Rotor und dem Rotorspalt Vergrößert dargestellt. Typische Größen für die Abmessungen des Rotorspait-Steuetmoduls liegen zwischen 0,5 und 50 mm, vorzugsweise um die 10 bis 20 mm.
  • Beispielhaft wird nun der Aufbau eines Rotorspalt-Steuermoduls 6 anhand des in der Fig. 2 mittleren Rotorspalt-Steuermoduls erläutert.
  • Das Rotorspalt-Steuermodul 6 weist ein Gehäuse 7 auf, welches das Rotorspalt-Steuermodul 6 an allen Seiten bis auf die den Rotorblättern 5 zugewandte Seite umgibt. Das Gehäuse 7 ist aus einem wärmelsollerenden und vorzugsweise auch schwingungsisollerenden Werkstoff aufgebaut. Durch das Gehäuse 7 ist das Rotorspalt-Steuermodul als eine autarke Einheit handhabbar. Um das Rotorspalt-Steuermodul 6 im Falle einer Wartung mechanisch und elektrisch leicht mit anderen Modulen austauschen zu können, sind sämtliche Anschlüsse an Gehäuse 7 standardisiert ausgeführt.
  • Der vom Gehäuse 7 umgebene Teil des Rotorspalt-Steuermoduls ist aus einem Mikrostruktursystem aus Silicium oder einer Siliciumverbindung, wie Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid, hergestellt. Zur Herstellung können herkömmliche Verfahren der Mikrostrukturtechnik, wie LIGA, Micromachining, Ätzvorgänge usw. verwendet werden.
  • Das Rotorblatt-Steuermodul 6 weist Dichtelemente 8 auf, die so ausgebildet sind, dass sie in einer Betriebsstellung In den Rotorspalt S ragen. Die Dichtelemente 8 sind in Drehrichtung D des Rotors 5 wesentlich kleiner als der Abstand T zwischen zwei Rotorblättern. Die Dichtelemente 8 werden aus einer dünnen Membran aus Silicium oder einem siliciumhaltigen Werkstoff, wie Siliciumcarbid, gebildet und sind über wenigstens eine Druckleitung 9 jeweils mit einer Aktuatorkammer 10 verbunden. Die Wandstärke der Membran ist so bemessen, dass die Membran eine hohe Elastizität aufweist. Die Aktuatorkammern 10 des jeweiligen Dichtelements 8 sind beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 voneinander durch eine Wand 11 voneinander getrennt. Durch die Zuordnung möglichst weniger Dichtelemente 8 zu einer Aktuatorkammer 10 lassen sich die Dichtelemente 8 präziser ansteuem.
  • Die Dichtelemente 8 bilden zusammen keine kontinuierliche Dichtfläche, die der Umlaufbahn U der Rotorblattspitzen 12 entspricht, sondern diskrete Dichtflächen, die voneinander beabstandet sind und mit den Rotorblattspizen als Gegendichtflächen zusammenwirken. Die Dichtelemente 8 sind, wie in Fig. 2 zu erkennen ist, In mehreren Reihen gestaffelt angeordnet, so dass der Zwischenraum 8 zwischen zwei Dichtelementen einer Reihe durch ein Dichtelement 8' einer anderen Reihe abgedeckt ist.
  • Die Aktuatorkammer 10 eines jeweiligen Dichtelements 8 ist über ein Ventil 13 mit einer Druckkammer 14 verbunden. Die Aktuatorkammer 10, die Druckkammer 14 und das Ventil 13 sind Bestandteile einer pneumatischen, also druckluftbetriebenen, Aktuatoreinheit des Rotorspalt-Steuermoduls, durch die das Dichtelement 8 aktiv verstellt wird. Unter einer aktiven Verstellung ist dabei eine Verstellung zu verstehen, für die Energie von außerhalb oder von anderen Bereichen der Strömungsmaschine verwendet wird.
  • Die Ventile 13 sind bei einer Fertigung des Rotorspalt-Steuermoduls in Mikrostrukturtechnik (MEMS-, micro-electro-mechanical systems) Mikroventile, die in einem Stück mit dem Rotorspalt-Steuermodul gefertigt werden.
  • Die Ventile 13 öffnen auf ein Signal hin die Verbindung zwischen jeweils einer Aktuatorkammer 10 und der Druckkammer 14, so dass sich in der Aktuatorkammer 10 der jewells in der Druckkammer 14 herrschende Druck ausbreitet.
  • Die Druckkammer 14 ist über eine Leitung 15 mit einer Druckquelle verbunden, die mit einem Druck P beaufschlagt Ist. Das Gehäuse 7 weist ein standardisiertes Anschlusselement auf, so dass ohne besondere Mittel eine Druckleitung mit der Leitung 15 verbunden werden kann.
  • Wie In Fig. 2 zu erkennen ist, ist es aufgrund der geringen Größe der Mikrostrukturelemente nicht notwendig, ihre dem Rotorspalt S zugewandte Fläche 16 kreissegmentförmig auszubüden. Aufgrund der geringen Baugröße der Rotorblatt-Steuermodule in Drehrichtung wird bei geringen Herstellkosten bereits eine gute Annäherung an die Umlaufbahn U der Rotorblattspitzen 12 erreicht. Es ist jedoch eine kreissegmentförmige Ausgestaltung der Fläche 16 möglich.
  • In Fig. 2 ist weiter der modulförmige Charakter des Rotorspalt-Steuermoduls zu erkennen. Das Rotorspaft-Steuermodul blidet jeweils eine Baueinheit, die weitgehend autark ist und einfach und kostengünstig gegen gleichartige Module ausgetauscht werden kann.
  • In Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2, also ein in axialer Richtung A verlaufender Schnitt durch ein Rotorspalt-Steuermodul dargestellt.
  • In Fig. 3 Ist zu erkennen, dass in Richtung der Hauptströmung H die Abmessungen der Dichtelemente auch wesentlich kleiner als die Komponente C der Sehne des Rotorblatts 5 sind. Die Dichtelemente 8 bilden ein Feld, das in seiner Gesamtheit zu einer guten Abdichtung des Rotorspalts S führt. Einer Rotorblattspitze 12 als Gegendlchtfläche sind bei ihrer Umdrehung jeweils mehrere Dichtelemente zugeordnet.
  • Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, sind jeweils zwei in Hauptströmungsrichtung H hintereinander angeordnete Dichtelemente 8 mit einer Aktuatorkammer 10 verbunden. Jede dieser Aktuatorkammem ist über ein Mikroventil 13 mit der Druckkammer 14 verbunden.
  • In der Fig. 3 sind die Membranen der Dichtelemente 8 in unterschiedlich In den Rotorspalt S ausgefahrener Stellung dargestellt. Diese Stellungen entsprechen nicht einem tatsächlichen Betriebszustand, sondern dienen lediglich der Veranschaulichung der Bewegung der Dichtelemente 8, die durch ein blasenförmiges Aufblähen der elastischen Membran entsteht.
  • Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Reihen der Dichtelemente 8 bzw. Dichtblasen gestaffelt angeordnet, so dass eine durch das Feld der Dichtelemente 8 gerichtete Strömung auf einen sehr hohen Strömungswiderstand trifft, der die Dichtwirkung der Dichtelemente begründet. Zur Erhöhung der Dichtwirkung können auch mehrere Ringe aus Rotorspalt-Steuermodulen vorhanden sein. Diese Ringe können relativ zueinander in Umfangsrichtung verschoben sein, so dass das Rotorspalt-Steuermodul des einen Ringes den Spalt zwischen zwei Rotorspalt-Steuermodulen des anderen Ringes überdeckt.
  • Wie in Fig. 3 weiter zu erkennen ist, bildet das Gehäuse 7 Befestigungsabschnitte 17 aus, die mit entsprechenden Abschnitten des Gehäuses 18 der Strömungsmaschine verbunden werden können. Die dem Rotorspalt S zugewandte Fläche 16 des Rotorspalt-Steuerelements 6 schließt vorzugsweise bündig und spaltfrei mit dem Gehäuseelement 18 ab.
  • Damit das Rotorspalt-Steuermodul 6 eine autarke Einheit bildet, die unabhängig von den anderen Rotorspalt-Steuermodulen des Ringes um den Rotor Rv eine Einstellung des Rotorspalts vornehmen kann, Ist das Rotorspaft-Steuermodul 6 mit einer Steuereinheit 19 sowie einer Sensoreinheit 20 versehen, die In Fig. 3 nur schematisch dargestellt sind. Die Sensoreinheit 20 weist einen Drucksensor (nicht gezeigt) zur Erfassung des Drucks im Rotorspalt, einen weiteren Drucksensor (nicht gezeigt) zur Erfassung des Drucks in der Aktuatorkammer sowie einen Spaltmesssensor (nicht gezeigt) auf, durch den die Größe des Rotorspalts S gemessen werden kann. Der Spaltmesssensor kann auf optischer oder kapazitiver Basis, vorzugsweise als berührungsfrel arbeiten.
  • In der Sensoreinheit 20 ist des weiteren ein Schwingungssensor (nicht gezeigt) integriert, der auf optischem, kapazitivem oder akustischem (Ultraschall) Wege die Schwingungen der Rotorblätter R und/oder der Rotorblattspitzen 5 erfasst. Es können alternativ auch Schwingungssensoren zur Erfassung von Gehäuseschwingungen, von Naben-oder Wellenschwingungen sowie von Schwingungen des Dichtelements selber vorgesehen sein.
  • Die Sensoreinheit 20 Ist mit einer Ausgangsschnittstelle versehen, über welche die jeweiligen Sensoren Signale, die repräsentativ für die von ihnen jeweils erfassten Messgrößen sind, über eine Datenleitung 21 ausgeben. Die Datenleitung 21 ist mit einer Eingangsschnittstelle der Steuereinheit 19 verbunden. Die Steuereinheit 19 verarbeitet die von der Sensoreinheit 20 empfangenen Daten und gibt über eine Ausgangsschnittstelle Ausgangsdaten in Abhängigkeit von den Eingangsdaten und In einem Speicher abgespeicherten Daten an eine Ausgangsleitung 22 aus. Die Ausgangsleitung 22 ist mit den Ventilen 13 der Aktuatoreinheit verbunden. Auf ein entsprechendes Signal aus der Ausgangsleitung 22 öffnen und schließen sich die Ventile 13.
  • Zur Versorgung der Steuereinheit 21 und der Sensoreinheit 20 sowie der Mikroventile 13 kann eine interne Energiequelle 22 In Form eines Mittels zur Stromerzeugung im Rotorspalt-Steuermodul vorhanden sein. Dieses Mittel kann, wie In Fig. 3 dargestellt, in Form einer Spule ausgebildet sein, die über ein von außen angelegtes Magnetfeld Energie erzeugt.
  • Die Steuereinheit 20 weist ferner einen Datenbus 23 auf, der an die Gehäuseaußenselte 7 geführt ist, so dass über den Bus eine Verbindung mit externen Steuerelementen sowie mit anderen Rotorspalt-Steuermodulen stattfinden kann. Die Datenleitungen 21 und 22 sowie der Datenbus 23 können auch Teil eines durchgängigen Datenbusses sein, der alle Komponenten des Rotorblatt-Steuermoduls miteinander verbindet. Die Energiequelle, die Aktuatoreinheit mit den Mikroventilen, die Steuereinheit 19 und die Sensoreinheit 20 können alle Elemente eines als einstückiges Mikrosystem aufgebauten Rotorspalt-Steuermoduls darstellen und innerhalb eines einzigen Fertigungsschrittes im wesentlichen gleichzeitig aufgebaut werden.
  • Der Datenbus kann auch als eine Funkübertragungsstrecke (nicht gezeigt) ausgebildet sein, bei der die Daten berührungsfrel in Form elektromagnetischer Wellen an eine Empfangsstation weitergegeben werden. In diesem Fall ist eine Sendeeinheit in die Steuereinheit integrier. Um einen bidirektionalen Datenfluss über die Funkübertragungsstrecke zu ermöglichen, ist die Steuereinheit 20 mit einem Funkempfänger versehen.
  • In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorspaft-Steuermoduls in einem Axialschnitt dargestellt.
  • Im Folgenden wird der Einfachheit halber lediglich auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel, wie es beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist, eingegangen. Dabei werden für die gleichen Bauelemente wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
  • Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist das Rotorspalt-Steuermodul 6 der Fig. 4 zwei Druckkammern 24, 25 auf, wobei die eine Druckkammer 24 eine mit einem Druck P1 beaufschlagte Überdruckkammer und die Kammer 25 eine mit einem Unterdruck P2 beaufschlagte Unterdruckkammer ist. Der Druck P1 ist größer als der Druck PR im Bereich des Rotorspalts. Der Druck P2 ist kleiner als der Druck PR. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind die Überdruckkammer 24 und die Unterdruckkammer 25 jeweils mit zwei Mikroventilen 13 mit der Aktuatorkammer 10 verbunden. Durch das Vorsehen von zwei Ventilen ist ein schneller Druckausgleich zwischen jeweils der Aktuatorkammer 10 und der Unter- oder Überdruckkammer 24, 25 möglich.
  • Die Überdruckkammer 24 ist mit einem Bereich der Strömungsmaschine verbunden, In dem beim Betrieb der Strömungsmaschine ein höherer Druck als im Bereich des Rotorspaltes herrscht. Die Unterdruckkammer 25 dagegen Ist mit einem Bereich der Strömungsmaschine verbunden, der beim normalen Betrieb der Strömungsmaschine mit einem niedrigeren Druck als dem Druck im Bereich des Rotorspalts beaufschlagt ist.
  • Unabhängig vom Aufbau mit den beiden Druckkammern ist in der Fig. 4 eine weitere Möglichkeit der Energieerzeugung Innerhalb des Rotorspalt-Steuermoduls dargestellt:
  • Die Überdruckkammer 24 ist über eine Mikroturbine 30, die ebenfalls In Mikrostrukturtechnik ausgeführt sein kann, mit der Unterdruckkammer 25 verbunden. Durch die Mikroturbine 30 findet eine stetige Ausgleichsströmung zwischen der Überdruckkammer 24 und der Unterdruckkammer 25 statt, welche die Mikroturbine antreibt und zur Erzeugung von Energie für die Steuereinheit 19, die Sensoreinheit 20 und die Mikroventfle 13 beiträgt oder die Energieversorgung des Rotorspalt-Steuermoduls alleine bewerkstelligt. Zur Energieerzeugung kann die Mikroturbine 30 mit einem magnetischen Rotor 31 versehen sein, der über eine Spule 32 Strom erzeugt. Dieser Aspekt der Energieerzeugung ist auch unabhängig von der Verwendung des Rotorspalt-Steuermoduls 6 vorteilhaft.
  • Die Ausgleichsströmung durch die Mikroturbine 30 hindurch ist so gering, dass der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine nicht beeinflusst wird.
  • In Fig. 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorspalt-Stauermoduls gezeigt. Es wird der Einfachheit halber wiederum nur auf die Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen eingegangen, wobei für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugszeichen wie bei den obigen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
  • Ein erster Unterschied des dritten Ausführungsbeispiels zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen besteht darin, dass mehrere Dichtelemente 8 jeweils von einem Hüllkörper 35 umgeben sind, der aus einem abriebfesten Material besteht. Der Hüllkörper 35 schützt die Dichtelemente 8 vor einer Berührung mit der Rotorblattspitze 12. Unabhängig vom Hüllkörper 35 besteht ein weiterer Unterschied des dritten Ausführungsbeispiels zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen in der Anordnung der Druckkammern 24, 25.
  • Da die Überdruckkammer 25 meist mit einem wärmeren Fluid als die Unterdruckkammer 24 beaufschlagt ist, wird durch die Anordnung der Überdruckkammer 25 innerhalb der Unterdruckkammer 24 ein Temperaturausgleich erzielt.
  • Die Unterdruckkammer 24 umgibt zumindest abschnittsweise die Überdruckkammer 25, so dass das Rotorspalt-Steuermodul nicht überhitzt. Das Rotorspalt-Steuermodul 6 der Fig. 5 weist außerdem kein Gehäuse 7 auf, sondern ist als Mikrostrukturblock bereits in der entsprechenden standardisierten Form aufgebaut.
  • Im Folgenden wird die Funktion des erfindungsgemäßen Rotorspait-Steuermoduls anhand des Ausführungsbeispiels, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, beschrieben:
  • Der Spaltsensor der Sensoreinheit 19 misst die Größe des Rotorspalts zwischen der Rotorspaltspitze 12 und den Dichtelementen 8 und leitet den Messwert über die Datenleitung 21 an die Steuereinheit 19 weiter. Die Steuereinheit 19 vergleicht diesen Messwert mit einprogrammierten Schwellenwerten und gibt in Abhängigkeit von diesem Vergleich ein Ausgangssignal über die Datenleitung 22 an die Aktuatoreinheit mit den Mikroventilen 13 aus. Die Schwellenwerte können in der Steuereinheit 19 fest abgelegt sein, oder aber über den Datenbus 23 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer ständig aktualisiert werden.
  • Verringert sich der Rotorspalt unter einen vorgegebenen unteren Schwellenwert, so bedeutet dies, dass der Rotorspalt zu klein ist und demzufolge die Dichtelemente 8 aus dem Rotorspalt hinausbewegt werden müssen. Hierzu sendet die Steuereinheit 19 Signale an die Mikroventile 13 aus, die die Unterdruckkammer 24 mit der Aktuatorkammer 10 verbinden. Die Luft strömt aus der Aktuatorkammer heraus, da sich der Druck in der Kammer absenkt. Die Membran des Dichtelements 8 zieht sich zusammen, so dass sich der Rotorspalt S vergrößert. Zu einer feineren Regelung können auch mehrere Schwellenwerte in der Steuereinheit 19 abgelegt sein, die in einer Weiterbildung in Abhängigkeit von den in der Strömungsmaschine gerade vorherrschenden Betriebsparametern zur Einstellung des für diese Betriebsparameter optimalen Rotorspalt verwendet werden.
  • Die Sensoreinheit 20 überwacht permanent den Druck in der Aktuatorkammer und die Größe des Rotorspalts. Wird beim Vergleich durch die Steuereinheit 19 festgestellt, dass die vorgegebene Rotorspaltbreite erreicht wird, so wird das geöffnete Mikroventil 13 wieder geschlossen und der Druck In der Aktuatorkammer konstant gehalten.
  • Liegt dagegen der vom Spaltsensor gemessene Wert des Rotorspalts oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwert, so bedeutet dies, dass der Rotorspalt S zu groß ist. Folglich öffnet die Steuereinheit 19 die Mikroventile 13, welche die Aktuatorkammer 10 mit der Überdruckkammer 25 verbinden. Dadurch erhöht sich der Druck in der Aktuatorkammer 10, und die Membranen der Dichtelemente weiten sich unter dem Druckelnfluss und bilden eine Dichtblase. Die Dichtelemente dehnen sich In Richtung des Rotorspaltes aus und verkleinern den Spalt. Wenn der gemessene Wert des Rotorspalts wieder innerhalb der beiden Schwellenwerte liegt, wird das offene Ventil wieder geschlossen.
  • Der obere Schwellenwert kann beispielsweise im Bereich zwischen 0,3 und 2 mm, der untere Schwellenwert im Bereich zwischen 0,1 und 0,7 mm liegen.
  • Über die Überwachung des Drucks in der Aktuatorkammer 10 kann ein Fehlersignal über die Steuereinheit 19 ausgegeben werden. Stimmt der Druck der Aktuatorkammer 10 stets mit dem Druck PR im Bereich des Rotors überein, so liegt eine Undichtigkeit vor und das Element muss ausgetauscht werden.
  • Durch dieses Verfahren regelt das Rotorspalt-Steuermodul die Größe des Rotorspalts S automatisch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen auf einen optimalen Wert. Die Logik in der Steuereinheit 19 ist vorzugsweise auf einfache Vergleichsarithmetik beschränkt, so dass die Steuereinheit einfach aufgebaut und die Steueraigorithmen schnell ausführbar sind.
  • Durch die Integration von Steuereinheit, Sensoreinheit und Energlequeile im Rotorspalt-Steuermodul wird eine vollkommen autarke Regelung des Rotorspalts durch ein austauschbares Modul erreicht.
  • Diese Funktionalität wird ergänzt durch die Möglichkeit der Überwachung von Bauteilen der Strömungsmaschine durch weitere Sensoren, wie beispielsweise dem Schwingungssensor. Dadurch kann zum einen der Betriebszustand der Strömungsmaschine während des Betriebs überwacht werden, um rechtzeitig vor Ausfällen von Bauteilen zu warnen oder um auf fällige Wartungsarbeiten hinzuweisen. Zum anderen kann bei dieser Weiterbildung auch Ober eine Auswertung der Ergebnisse der Betrieb der Strömungsmaschine optimiert werden.
  • Durch Datenleitungen sind mehrere Rotorspalt-Module miteinander vemetzbar, so dass auch eine synchronisierte Betätigung mehrerer Rotorspalt-Steuermodule erreicht wird und die Daten eines einzelnen Rotorspalt-Steuermoduls weiteren Modulen zur Verfeinerung der Steuerung zur Verfügung gestellt werden können.
  • Die einfache Steuerungslogik und die kleinen bewegten Massen der erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermodule ermöglichen ein Ansprechverhalten, das im Bereich der Blattfrequenz des Rotors liegt, so dass es möglich ist, den Rotorspalt an einzelne Rotorblätter anzupassen.
  • In den Figuren 6 und 7 ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Rotorspalt-Steuermodule in einer der obigen Ausgestaltungen als Wellendichtmodul gezeigt.
  • Fig. 6 zeigt einen Axialschnitt durch die Welle und die Dichtmodule.
  • Wie beim Rotorspalt-Steuermodul, so können auch bei der Verwendung als Wellendichtmodul mehrere Reihen von Rotorspalt-Steuermodulen hintereinander angeordnet werden. Der einzige Unterschied zum Rotorspalt-Steuermodul besteht darin, dass die Gegendichtfläche bei dieser Anwendung im wesentlichen durchgängig ist.
  • Durch die gestaffelte Anordnung der Dichtelemente 8 ist eine gute Abdichtung gegen die Weitenoberflärhe 40 erreichbar.
  • Um eine Abdichtung auch im Übergangsbereich zwischen zwei In. Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Dichtmodulen zu erreichen, sind die Dichtmödule gestaffelt angeordnet, so dass jeweils ein Dichtelement 8" der einen Reihe in den Bereich zwischen zwei Dichtmodulen 6 einer anderen Reihe fallen.
  • Wird ein abriebfestes Material für die Dichtelemente 8 verwendet, so können die Dichtelemente 8 die Wellenoberfläche 40 auch direkt berühren. Durch den Aufbiasdruck in der Membran wird auf diese Weise die Anpresskraft der Dichtelemente auf die Gegendichtfläche geregelt.
  • In Fig. 7 ist ein Weliendichtmodul mit dem Aufbau des Rotorspalt-Steuermoduls der Fig. 5 In einem Axialschnitt entlang der Linie VII-VII der Fig. 6 gezeigt.
  • Wie In Fig. 7 zu erkennen ist, bildet die Welle einen Dichtabsatz 41 aus, an dem zwei Reihen von zu einem Ring zusammengeschlossenen Dichtmodulen ausgebildet sind, die analog zu einem Rotorspalt-Steuermodul ausgebildet sind. Auch hier besteht die Dichtfläche aus einer Vielzahl von diskreten Flächen und beruht die Dichtwirkung auf einer Erhöhung des Strömungswiderstandes bei einer Bewegung von Fluidteilchen durch die Dichtelemente hindurch.
  • Das schnelle Ansprechverhalten der Dichtmodule erlaubt eine gute Abdichtung auch bei einer Exzentrizität oder bei Biegeschwingungen der Welle, da die Dichtelemente, wie oben am Beispiel der Rotorspaltsteuerung ausgeführt, sofort auf eine Bewegung der Welle und damit einer Änderung des Dichtungsspaltes reagieren.

Claims (50)

  1. Rotorspalt Steuermodul (6) zum Einbau In eine von einem Fluid in einer Hauptströmungsrichtung (H) durchströmte Strömungsmaschine (1), welche einen drehbaren Rotor (R) mit In Drehrichtung (D) des Rotors zueinander vorbestimmt beabstandete Rotorblätter (5) und ein den Rotor unter Ausbildung eines Rotorspaltes (S) zumindest abschnittsweise umgebendes Gehäuse (G) aufweist, wobei das Rotorspalt-Steuermodul wenigstens ein den Rotorspalt abschnittsweise begrenzendes und in den Rotorspalt hineinbewegliches Dichtelement (8) und eine im Betrieb das Dichtelement bewegende Aktuatoreinheit (10, 13, 14, 15) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des wenigstens einen Dichtelements (8) in Drehrichtung (D) des Rotors (R) kleiner als der Abstand (T) zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter (5) ist.
  2. Rotorspalt Steuermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des wenigstens einen Dichtelements (8) In Hauptströmungsrichtung (H) des Rotors (R) kleiner als die Schaufeltiefe (C) eines Rotorblattes (5) in Hauptströmungsrichtung (H) ist.
  3. Rotorspalt Steuermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorspalt Steuermodul in Hauptströmungsrichtung (H) des Rotors wenigstens zwei Dichtelemente (8) hintereinander aufweist, die sich in Drehrichtung (D) des Rotors (R) zumindest abschnittsweise überlappen.
  4. Rotorspalt Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorspalt Steuermodul (6) ein Gehäuse (7) aufweist, in dem die Aktuatoreinheit aufgenommen Ist und dessen Abmessung in Drehrichtung kleiner als der Abstand zweler aufeinanderfolgender Rotorblätter ist.
  5. Rotorspalt Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorspalt Steuermodul (6) ein Gehäuse (7) aufweist, in dem die Aktuatoreinheit aufgenommen Ist und dessen Abmessung in Hauptströmungsrichtung größer als die Schaufeltiefe eines Rotorblattes In Hauptströmungsrichtung ist.
  6. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine den Rotorblattspitzen (12) gegenüberllegende Fläche (16) ausbildet, in der das wenigstens eine Dichtelement (8) angeordnet Ist.
  7. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorspalt-Steuermodul ein Feld von Dichtelementen aufweist.
  8. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente in der Dichtstellung voneinander beabstandet sind und ein Labyrinth mit erhöhtem Strömungswiderstand bilden.
  9. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (10, 13, 14, 15) als eine pneumatische Verstelleinheit mit wenigstens einer mit einem Fluiddruck beaufschlagbaren Aktuatorkammer (10) versehen ist, wobei der Fluiddruck in der Aktuatorkammer mittelbar oder unmittelbar auf das wenigstens eine Dichtelement (8) einwirkt.
  10. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das wenigstens eine Dichtelement eine elastische Membran umfasst, die in einer Dichtstellung in den Rotorspalt (S) vorgewölbt ist.
  11. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mit der Aktuatorkammer druckübertragend verbunden ist.
  12. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus Silizium oder aus einem siliziumhaltigen Werkstoff gefertigt ist.
  13. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit wenigstens eine Überdruckkammer (14) aufweist, die im Betrieb mit einem Druck (P1) beaufschlagt, ist, der größer als der Druck (PR) Im Bereich des Rotors ist, und die Ober wenigstens ein Ventil (13) mit der Aktuatorkammer verbunden ist.
  14. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das die Aktuatoreinheit wenigstens eine Unterdruckkammer (15) aufweist, die im Betrieb mit einem Druck (P2) beaufschlagt, ist, der kleiner als der Druck (PR) Im Bereich des Rotors ist, und die über wenigstens ein Ventil (13) mit der Aktuatorkammer verbunden ist.
  15. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdruckkammer (14) zumindest abschnittsweise von der Unterdruckkammer (15) umgeben ist.
  16. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als ein aus Silizium oder siliziumhaltigen Werkstoff gefertigtes Mikroventil (13) ausgestaltet ist.
  17. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreirlheit eine elektronische Eingangsschnittstelle aufweist, über die im Betrieb Signale zur Verstellung des wenigstens einen Dichtelements (8) an die Aktuatoreinheit geleitet sind.
  18. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rotorspalt-Steuermodul ein Mittel zur Stromerzeugung (30, 32) vorgesehen ist, durch das im Betrieb elektrische Energie zum Betrieb des Rotorspalt-Steuermoduls erzeugbar ist.
  19. Fiotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Stromerzeugung als eine Mikroturbine (30) ausgebildet ist, die zwischen der wenigstens einen Überdruckkammer und der wenigstens einen Unterdruckkammer angeordnet ist.
  20. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Stromerzeugung eine im Betrieb von außerhalb des Rotorspalt-Steuermoduls erregte Spule (32) ausgebildet ist.
  21. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit (20) mit wenigstens einem Spaltmesssensor vorgesehen Ist, wobei durch den Spaltmesssensor Im Betrieb die Größe des Rotorspalts erfassbar und ein für die Größe des Rotorspaltes repräsentatives Signal ausgebbar ist.
  22. Rotorspalt-Steuermodui nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit (20) mit wenigstens einem Drucksensor vorgesehen ist, wobei durch den Drucksensor im Betrieb der Druck Im Bereich des Rotors und/oder der Druck In der Aktuatorkammer erfassbar und ein für die Größe des Druckes Im Bereich des Rotors und/oder In der Aktuatorkammer repräsentatives Signal ausgebbar Ist.
  23. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit mit wenigstens einem Lageerfassungssensor vorgesehen ist, durch den im Betrieb die Lage des wenigstens einen Dichtelements Im Rotorspalt erfassbar und ein die Lage des Dichtelements Im Rotorspalt repräsentierendes Signal ausgebbar ist.
  24. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit mit wenigstens einem Schwingungssensor.vorgesehen ist, durch den im Betrieb die Schwingungsamplitude und/oder die Schwingungsfrequenz eines Rotorblattes (R) erfassbar und ein die Schwingungsamplitude und/oder die Schwingungsfrequenz repräsentierendes Signal ausgebbar ist.
  25. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (19) mit einer Eingangssehnittstelle und einer Ausgangsschnittstelle vorgesehen ist, wobei im Betrieb die Eingangsschnittstelle datenübertragend mit einer Ausgangsschnittstelle einer Sensoreinheit mit Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern der Strömungsmaschine und die Ausgangsschnittstelle mit einer Eingangsschnittstelle der Aktuatoreinheit zur Betätigung des wenigstens einen Dichtelements verbunden ist.
  26. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) einen Datenbus (23) mit einem Anschluss aufweist, wobei Ober den Anschluss externe Geräte datenübertragend an den Datenbus anschließbar sind.
  27. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) einen als Funkstrecke ausgestalteten Datenbus aufweist und die Eingangsschnittstelle einen Funkempfänger und/oder die Ausgangschnittstelle einen Funksender umfasst.
  28. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorspalt-Steuermodul in Mikrostrukturtechnik aufgebaut ist.
  29. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einstückig in das Rotorspait-Steuermodul integriert ist.
  30. Rotorspalt-Steuermodul nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Energieerzeugung einstückig In das Rotorspalt-Steuermodul integriert ist.
  31. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroventil einstückig in das Rotorspalt-Steuermodul integriert ist.
  32. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit einstückig in das Rotorspalt-Steuermodul integriert ist.
  33. Rotorspalt-Steuermodul nach einem Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorspalt-Steuermodul im wesentlichen aus Silizium oder einem siliziumhaltigen Werkstoff aufgebaut Ist.
  34. Rotorspalt-Steuermodul nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotorspalt-Steuermodul zwischen dem Dichtelement und dem Rotorspalt ein Hüllkörper angeordnet ist, der eine Mehrzahl von Dichtelementen umgibt.
  35. Rotorspalt-Steuenmodul nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Hüllkörper als eine Im wesentlichen elastische Membran ausgebildet Ist.
  36. Strömungsmaschine (1) mit einem drehbaren Rotor (R), mit einem den Rotor unter Ausbildung eines Rotorspaites (S) umgebenden Gehäuse (G) und mit einem Rotorspalt-Steuermodul (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorspalt-Steuermodul (6) nach einem der oben genannten Ansprüche aufgebaut und Im Bereich des Rotorspaltes angeordnet ist.
  37. Strömungsmaschine nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Rotorspalt Steuermodulen (6) vorgesehen sind, die zu einem den Rotorspalt umgebenden Ring zusammengeschlossen sind, wobei die Dichtelemente (6) ein Feld von diskreten, voneinander beabstandeten Dichtflächen ausbilden.
  38. Strömungsmaschine nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ringe aus Rotorspalt-Steuermodulen (6) gebildet sind, die den Rotorspalt umgeben.
  39. Strömungsmaschine nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringe in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.
  40. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorspalt-Steuermodule des Ringes über einen Datenbus miteinander verbunden sind.
  41. Verwendung des Rotorspait-Steuermoduls nach einem der oben genannten Ansprüche zur Abdichtung einer durchgängigen Dichtfläche eines Drehkörpers.
  42. Verwendung des Rotorspalt-Steuermoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 40 zur Überwachung der Strömungsmaschine.
  43. Verfahren zur Steuerung der Weite eines Rotorspalts bei einer Strömungsmaschine, bei welcher der Rotorspalt zwischen einem sich drehenden Rotor und einem Gehäuse gebildet wird, wobei zur Verringerung des Rotorspaltes ein Dichtelement eines Rotorspalt-Steuermoduls in den Rotorspalt mittels Druckluft hineinbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Spaltmesssensors des Rotorspalt-Steuermoduls die momentane Größe des Rotorspalts an einer Stelle gemessen und in Signalform an eine Steuereinheit weitergeleitet wird, dass die Steuereinheit in Abhängigkeit vom Signal des Spaltmesssensors ein Betätigungssignal an eine dieser Stelle zugeordneten Aktuatoreinheit ausgibt, worauf die Aktuatoreinheit In Abhängigkeit des Signals von der Steuereinheit das Dichtelement mittels der Druckluft in den Rotorspalt hinein oder hinaus bewegt.
  44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Druckluft eine Membran des Dichtelements aufgeblasen wird und den Rotorspalt abschnittsweise verkleinert.
  45. Verfahren nach Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit In Abhängigkeit vom Signal des Spaltmesssensors das Dichtelement mit einem Überdruck oder einem Unterdruck beaufschlagt wird.
  46. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Rotorspalts ein Feld von diskreten, voneinander beabstandeten Dichtelementen bewegt wird.
  47. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement oder eine Teilmenge der Dichtelemente jeweils unabhängig voneinander angesteuert werden.
  48. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen der Rotorblätter (R) von dem Rotorspalt-Steuermodul gemessen werden.
  49. Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Messergebnisse der Schwingungsmessung über eine Funkstrecke nach außerhalb des Rotorspalt-Steuermoduls übertragen werden.
  50. Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Messergebnisse in der Steuereinheit bis wenigstens zum Ende des Einsatzes der Strömungsmaschine zwischengespeichert werden.
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