EP1739283A2 - Adjustable tip sealing device for a turbomachine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Rotorspalt-Steuervorrichtung für einen Verdichter einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugantriebs, welche einen Rotor und ein den Rotor unter Ausbildung eines Rotorspaltes umgebendes Gehäuse aufweist, wobei die Rotorspalt-Steuervorrichtung ein in den Rotorspalt hineinbewegliches Dichtelement und eine Aktuatoreinheit aufweist.The invention relates to a rotor gap control device for a compressor of a turbomachine, in particular a flight drive, which has a rotor and a rotor surrounding the rotor to form a rotor gap housing, wherein the rotor gap control device has a movable into the rotor gap sealing element and an actuator unit.
Bei Strömungsmaschinen, hierunter fallen 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 Wirbelbildung 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.In turbomachines, including, for example, turbines, pumps, compressors or blowers, the rotor gap between the stationary rotor housing and rotating rotor is a source of flow losses and thus a cause of reduced efficiency. The flow losses occur on the one hand by vortex formation and flow separation in or at the rotor gap , which also leads to 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.
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 Abgasturboladern. 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.In an ideal lossless 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 turbochargers. In such turbomachinery, the rotor blade lengthens depending on the temperature and the speed. In addition, 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.
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.The width of the rotor gap and thus the losses of the turbomachine consequently change as a function of the rotational speed and the temperature in the operating state just passed through.
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. Gleichzeitig werden bei der Bemessung des Rohrspalts in der Praxis Grenzlastbereiche 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 practice, 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. For aircraft engines or turbochargers, this continuous operating point is, for example, at cruising speed. At the same time limit load ranges and start-up ranges of the turbomachine are taken into account in the design of the pipe gap in practice: The rotor gap should be dimensioned so that damage to the rotor blade and housing can be avoided even under extreme conditions with acceptable flow losses.
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 Grenzlastenbereich in Kauf genommen.In practice, therefore, a certain wear of the housing and rotor blade by the start of the turbomachine or the operation of the turbomachine in the limit load range is accepted in favor of the best possible efficiency.
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.In order to achieve an optimum rotor gap, ie a rotor gap width, in which wear and flow losses are minimal in all operating ranges of the turbomachine, some solutions have been proposed in the prior art.
In der
Bei der Gasturbine der
Bei der
Auch die Vorrichtung der
Bei den Systemen der
Eine verbesserte Lösung beschreibt die
Zusammengefasst ist also aus dem oben genannten Stand der Technik keine einfach und kostengünstig herstellbare Vorrichtung bekannt, bei der das Ansprechverhalten eine schnelle Einstellung des Rotorspalts ermöglicht und die bei bereits bestehenden Triebwerken nachgerüstet werden kann.In summary, therefore, from the above-mentioned prior art, no simple and inexpensive to produce device known the response allows a quick adjustment of the rotor gap and can be retrofitted to existing engines.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Rotorspalt- Steuervorrichtungen für den Einsatz in Verdichtern entsprechend zu verbessern. Hierdurch soll betriebsbedingter Degradation durch Erosion, Alterung, etc. entgegengewirkt werden. Als Resultat soll der Wirkungsgrad erhalten und der Pumpgrenzabstand beibehalten werden.The invention is therefore an object of the invention to improve the aforementioned rotor gap control devices for use in compressors accordingly. As a result, operational degradation due to erosion, aging, etc. is to be counteracted. As a result, the efficiency should be maintained and the surge margin maintained.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a device with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Dichtelement als umlaufender Einlaufbelag aus flexiblem, gummiartigen Material ausgebildet ist, in welchem zumindest eine ebenfalls umlaufende Schlauchmembran angeordnet ist, die durch die Aktuatoreinheit mit Druckfluid beaufschlagbar ist. Als vorteilhaft haben sich dabei drei Schlauchmembranen erwiesen, wobei die zentrale Membran einen kreisrunden Querschnitt und die beiden äußeren Schlauchmembranene einen ovalen Querschnitt aufweisen können. Durch die Ausgestaltung des Einlaufbelags aus flexiblem Material wird erreicht, dass nicht gleichförmige Ausdehnungen ohne Schaden an der Beschaufelung ausgeglichen werden können. In diesem Fall wird einfach punktuell Material des Einlaufbelags durch die Schaufeln abgetragen, ohne dass es zu einer Beschädigung der Schaufeln kommt.According to the invention it is provided that the sealing element is formed as a circumferential inlet lining of flexible, rubber-like material in which at least one likewise circumferential tubular membrane is arranged, which is acted upon by the actuator unit with pressurized fluid. Three tubular membranes have proven to be advantageous, the central membrane having a circular cross section and the two outer tubular membranes having an oval cross section. The design of the inlet lining of flexible material ensures that non-uniform expansions can be compensated without damage to the blading. In this case, the material of the inlet lining is simply removed at certain points by the blades, without any damage to the blades.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einlaufbelag in einer umlaufenden Vertiefung im Verdichtergehäuse aufgenommen ist. Diese Vertiefung kann beispielsweise in einem spanabhebenden Verfahren aus der Gehäuseinnenwand abgetragen werden.An advantageous development of the invention provides that the inlet lining is received in a circumferential recess in the compressor housing. This recess can be removed, for example, in a machining process from the housing inner wall.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einlaufbelag aus Silikongummi hergestellt ist. Silikongummi weist gute physikalische Materialeigenschaften auf. So kann Silikongummi über lange Zeit bei Temperaturen bis zu 140°C eingesetzt werden, zeitweise sogar bei Temperaturen bis zu 270°C. Silikonpolymere zeichnen sich dabei insbesondere durch eine hohe Temperaturstabilität und ausgezeichnete Elastizität in einem Bereich von -50°C bis 270°C aus.A further advantageous embodiment of the invention provides that the inlet lining is made of silicone rubber. Silicone rubber has good physical material properties. So silicone rubber can be used for a long time at temperatures up to 140 ° C, at times even at temperatures up to 270 ° C. Silicone polymers are characterized in particular by a high temperature stability and excellent elasticity in a range of -50 ° C to 270 ° C.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Aktuatoreinheit als eine pneumatische Verstelleinheit ausgebildet ist, welche auf die zumindest eine Schlauchmembran einwirkt. Die Aktuatoreineit kann dabei als Regelventil für die Zuleitung von Verdichterabluft ausgebildet sein.A further advantageous development of the invention provides that the actuator unit is designed as a pneumatic adjustment unit, which acts on the at least one tube membrane. The Aktuatoreineit can be designed as a control valve for the supply of compressor exhaust air.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Regeleinheit zur Druckluftsteuerung vorgesehen ist. Hierdurch kann die Druckluftmenge der tatsächlichen Spaltbreite angepasst werden, was eine höhere Genauhigkeit als das Abfahren von vorab gespeicherten Spaltbreitenkurven ermöglicht.A further advantageous embodiment of the invention provides that a control unit is provided for compressed air control. In this way, the amount of compressed air of the actual gap width can be adjusted, which allows a higher accuracy than the departure of pre-stored gap width curves.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine mit der Regeleinheit verbundene Sensoreinheit zum Messen des Rotorspalts (8) vorgesehen ist. Hierdurch kann die Regeleinheit mit einem Rückkopplungssignal versorgt werden.A further advantageous development of the invention provides that a sensor unit connected to the control unit is provided for measuring the rotor gap (8). As a result, the control unit can be supplied with a feedback signal.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung der Weite eines Rotorspalts bei einem Verdichter einer Strömungsmaschine, wobei ein umlaufender Einlaufbelag aus flexiblem, gummiartigen Material mit einer ebenfalls umlaufenden Schlauchmembran vorgesehen ist, weist folgende Schritte auf:
- Ermitteln des Rotorspalts mit einer Sensoreinheit;
- Berechnen der erforderlichen Ausdehnung der Schlauchmembran zum Schließen des Rotorspalts in der Regeleinheit;
- Hineinbewegen des Einlaufbelags in den Rotorspalt mittels Druckfluidbeaufschlagung der Schlauchmembran;
- Wiederholen der vorgenannten Verfahrensschritte, bis die Sensoreinheit eine vorgegbene Spaltbreite erfasst hat.
- Determining the rotor gap with a sensor unit;
- Calculating the required expansion of the tube membrane to close the rotor gap in the control unit;
- Moving the inlet lining into the rotor gap by pressurized fluid admission of the tube membrane;
- Repeating the aforementioned method steps until the sensor unit has detected a predetermined gap width.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen schematischen Halbschnitt durch eine Axialströmungsmaschine mit Verdichter; und
- Fig. 2
- einen schematischen Detailschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Rotorspalt-Streuervorrichtung.
- Fig. 1
- a schematic half section through an axial flow compressor with compressor; and
- Fig. 2
- a schematic detail section through an inventive embodiment of a rotor gap spreader.
Die Nachfolgenden Figuren sind schematische Darstellungen und dienen der Erläuterung der Erfindung. Gleiche und ähnliche Bauteile werden durch gleiche Bezugszeichen dargestellt. Die Richtungsangaben beziehen sich auf die Zeichnungsebene, sofern nicht etwas anderes angegeben ist.The following figures are schematic representations and serve to explain the invention. The same and similar components are represented by the same reference numerals. The directional information refers to the drawing plane, unless stated otherwise.
Figur 1 zeigt einen schematischen Halbschnitt durch ein axial durchströmtes Flugtriebwerk 1 mit einem Verdichter und einer Rotorspalt-Steuervorrichtung 2.1 shows a schematic half section through an axially traversed aircraft engine 1 with a compressor and a rotor gap control device. 2
Figur 2 zeigt einen schematischen Detailschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Rotorspalt-Steuervorrichtung 2. In einem Verdichtergehäuse 3 rotiert ein Verdichterrotor mit Verdichterschaufeln 4. Dabei ist in dem Verdichtergehäuse 3 eine umlaufende Vertiefung 11 eingearbeitet, in der ein umlaufender Einlaufbelag 5 aus Silikonkautschuk angebracht ist. Der umlaufende Einlaufbelag 5 mit im wesentlichen rechteckigen Querschnitt weist im Inneren eine zentrale Schlauchmembran 6 mit rundem Querschnitt und zwei äußere Schlauchmembranen 7 mit ovalem Querschnitt auf. Die dem Strömungskanal 9 zugewandte Seite des Einlaufbelags 5 schließt in unbetätigtem Zustand mit der Gehäuseinnenwand 10 ab und tritt nur bei Betätigung über diese hinaus, wie in der Figur 2 dargestellt.2 shows a schematic detail section through an embodiment according to the invention of a rotor
Zwischen dem Verdichtergehäuse 3 und der Verdichterschaufel 4 ist ein Rotorspalt 8 ausgebildet. Dieser Rotorspalt 8 ist je nach Betriebspunkt der Strömungsmaschine, Teillast, Vollast, o.ä., verschieden. Durch geregelte pneumatische Betätigung der Schlauchmembranen 6, 7 wird der Einlaufbelag 5 entsprechend ausgedehnt und in den Rotorspalt 8 hineinbewegt, bis der Rotorspalt 8 verschwindet.Between the
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants are conceivable, which make use of the illustrated solution even with fundamentally different types of execution.
Claims (7)
dadurch gekennzeichnet, dass
das Dichtelement als umlaufender Einlaufbelag (5) aus flexiblem, gummiartigen Material ausgebildet ist, in welchem zumindest eine ebenfalls umlaufende Schlauchmembran (6; 7) angeordnet ist, die durch die Aktuatoreinheit mit Druckfluid beaufschlagbar ist.Rotor gap control device (2) for a compressor of a turbomachine (1), in particular a flight drive, which has a rotor and a rotor surrounding the rotor to form a rotor gap (8) housing (3), wherein the rotor gap control device (2) a in having the rotor gap (8) movable sealing element and an actuator unit,
characterized in that
the sealing element is formed as a circumferential inlet lining (5) of flexible, rubber-like material, in which at least one likewise circumferential tubular membrane (6, 7) is arranged, which can be acted upon by the actuator unit with pressurized fluid.
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