EP2052133A2 - Arrangement for optimising the running clearance for turbomachines - Google Patents

Arrangement for optimising the running clearance for turbomachines

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EP2052133A2
EP2052133A2 EP07817418A EP07817418A EP2052133A2 EP 2052133 A2 EP2052133 A2 EP 2052133A2 EP 07817418 A EP07817418 A EP 07817418A EP 07817418 A EP07817418 A EP 07817418A EP 2052133 A2 EP2052133 A2 EP 2052133A2
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EP
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inner ring
outer ring
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ring
arrangement
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EP07817418A
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Alexander Böck
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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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
    • 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
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/11—Shroud seal segments
    • 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
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/501—Elasticity

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for optimizing the running gap for at least sections of axial-type turbomachinery by controlling or regulating the run-gap-relevant inner diameter of at least one stator blade surrounding a rotor blade ring.
  • active fission control or "Active Clearance Control CACC” is usually used by experts in this technology.
  • the known structural solutions are generally based on the principle that housing areas or stator elements defined with air lower temperature, d. H. With cooling air, are flown to influence by thermal contraction of these components, the running gap. A reduction or interruption of the cooling air flow causes the components to expand again. The effect is the more effective, the greater the temperature difference between the component and cooling air.
  • a hot turbine stator is charged with relatively cool compressor air.
  • Such an arrangement is protected, for example, in US Pat. No. 6,454,529 B1.
  • the development also goes with compressors to the active fission attitude control. A thermal influence of the housing or stator comes especially in the compressor due to low temperature differences to their limits. Thus, more responsive and more powerful systems are in demand.
  • the object of the invention is to propose an arrangement for running gap optimization for at least sections of axial design executed turbomachinery, which is particularly responsive and powerful and therefore preferably suitable for use in compressors.
  • the assembly comprises a novel stator structure having an inner ring, an outer ring concentric with and radially spaced therefrom, and a plurality of webs integrally connecting the rings on. All webs are inclined relative to the radial direction by the same angle in the circumferential direction. Furthermore, the arrangement comprises an adjusting device for rotating the inner ring relative to the outer ring with elastic change of the running gap-relevant inner diameter.
  • Figure 1 shows a partial cross section through an arrangement for running gap optimization
  • Figure 2 is a partial longitudinal section through a compressor with two arrangements for running gap optimization
  • FIG 3 shows a partial cross section through an arrangement for running gap optimization in the region of a sensor for running splitting.
  • the arrangement 1 for running gap optimization comprises two essential functional units, firstly an integral, elastically deformable stator structure 3 and secondly an adjusting device with at least one lever 10, at least one actuator 16 and at least one sensor 18 for running splitter detection.
  • the stator structure 3 consists essentially of a circular, self-contained inner ring 5, of a concentric to this radially spaced circular outer ring 7 and a plurality of distributed over the circumference of the stator 3, the inner ring 5 and the outer ring 7
  • the webs 8 are inclined at a defined angle ⁇ relative to the radial direction in the circumferential direction, so that a relative rotation of the inner ring 5 and the outer ring 7, a reversible compression or expansion of the inner ring 5 and thus a change of Laufspaltrelevan - Th inner diameter D has the result.
  • the inner ring 5 has in relation to the outer ring 7 has a thinner cross-section, is thus much more flexible. This ensures that the desired change in diameter essentially results from the deformation of the inner ring 5.
  • the radially inner and radially outer ends of the webs 8 are integrally connected to the inner ring 5 and the outer ring 7 and designed as elastic solid joints. It can be seen that the webs 8 are contoured over their radial length, wherein the radially central region 9 is thickened relative to the ends and thus stiffened. Thus, the webs 8 behave over the majority of their radial length rigid body-like, which amplifies the change in diameter of the inner ring 5 at a given Relatiwerpitung.
  • the webs 8 may also be contoured with respect to their axial extent. Their axial depth can be greater on the outer ring 7 than on the inner ring 5, with a conical taper between them. At high axial stiffness so the adjustment can be reduced. This contouring is not shown.
  • the outer ring 7 is rotationally held in a housing-like support 29, so that it forms the truly static element of the stator structure 3.
  • the possibly with - not shown in Figure 1 - blade tips coming into contact inner ring 5 is radially inside provided with a friction-tolerant Anstreifbelag 17, the inside of the clearance gap-relevant inner diameter D predetermines.
  • the Anstreifbelag 17 follows the elastic deformation (compression, expansion) of the inner ring. 5
  • FIG. 1 also shows essential elements of the adjusting device.
  • the relative rotation causing force transmission between the inner ring 5 and the outer ring 7 takes place mechanically.
  • a pivoting movements about an axis parallel to the axis of rotation of the turbomachine axis permitting storage 13 for a lever 10 is disposed on the outer ring 7 at least one point of its circumference.
  • the inner ring 5 is a corresponding recess, which together with a nose-like end of the lever 10 is a positive, play-free and low-friction Joint 15 forms.
  • the connecting line from the joint 15 to the bearing 13 (center to center) extends at an angle ß to the radial direction.
  • the adjusting kinematics including the angle ⁇ , are designed so that the local run-gap-relevant deformation of the inner ring 5 optimally corresponds to the deformation in the region of a web 8.
  • the angle ⁇ is generally different from the angle ⁇ .
  • the angles ⁇ and ⁇ are here - arbitrarily - set in such a way that the longitudinal center line of a web 8 and the connecting line from the bearing 13 to the joint
  • FIG. 16 is preferably designed as a double-acting, ie pressure and tensile forces generating, power cylinder whose power supply can be pneumatically, hydraulically or electrically / electronically. Due to the arrangement on the long lever arm 12, the Aktuator element and thus also its weight, etc. are reduced. Only the required Aktuatorhub thereby increases. In Figure 1, another gap without web 8 with a bearing and a yoke for another lever 10 (not shown) is right below recognizable. With uniform distribution over the circumference, four actuator / lever kinematics would be provided here. Theoretically, a kinematics for the stator structure would suffice. With a view to the most uniform possible deformation of the inner around 5 and on a redundant system you will probably install two or more kinematics.
  • FIG. 2 shows, as a concrete example of application, a multi-stage compressor 26 in an axial construction with two arrangements 1, 2 according to the invention for splitting optimization in partial longitudinal section.
  • the multi-part housing 27 of the compressor 26 with flange. 2 the flow channel of the compressor with a plurality of rotor and vane rings and a part of the rotor 34 is shown. The - not reproduced - rotation axis would run horizontally below the representation.
  • the flow through the compressor 26 is from left to right, see the white arrows.
  • the arrangements 1, 2 lie in the radial planes of the blade rings 30, 31, wherein the axial distance is such that there is still a vane ring with Leitschaufelkranz- segments 33 between the arrangements 1, 2 place.
  • a common carrier 29 for the two stator structures 3, 4 is present within the housing 27 and fastened to the housing 27 via a flange connection.
  • the inner ring 5 of the left, upstream stator structure 3 is kinematic on both sides with vane ring segments 32, 33 coupled.
  • the inner ring 6 of the right stator structure 4 is kinematically coupled on one side with the Leitschaufelkranzsegrnenten 33. In this way, the assemblies 1, 2 affect not only the running gaps of the blade rings 30, 31, d. H.
  • the vane ring segments 33 Due to the two-sided coupling with the inner rings 5 and 6, the vane ring segments 33 are optimally moved. The vane ring segments 32 coupled only on one side to the inner ring 5 are not moved to the same extent, but still advantageously.
  • FIG. 3 shows, in a partial cross-section, the region of such a sensor 18 within an arrangement for running-gap optimization.
  • the sensor 18 is fixed relative to the inner ring 5 immediately surrounding a blade ring.
  • a sleeve-like holder 20 is integrated into the inner ring 5, in which the sensor 18 is radially inserted from the outside against the stop and again pulled out.
  • the authoritative radially inner sensor end is approximately flush with the inner surface of the squealer pad 17.
  • a bellows 24 extends radially between the housing 27 of the compressor 26 and the outer ring 7 and forms an elastic, open channel for a flexible connection line 19 of the sensor 18.
  • the bellows 24 is also used to the sensor 18 by exerting a defined radial force in its Betri ebsposition to keep.
  • the bellows 24 is in turn connected to a cover 25 which is attached to a flange 28 of the housing 27 releasably and sealed, preferably screwed.
  • the connection line 19 leads to electrical or electronic components, which are attributable to the control or regulation system of the gap optimization ultimately exporting, at least one actuator 16.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

The invention relates to an arrangement for optimising the running clearance for axial type turbomachines by controlling or regulating the inner diameter, that corresponds to the running clearance, of at least one stator structure surrounding a rotor blade ring. Said stator structure comprises one closed inner ring, one outer ring that is arranged at a concentric and radial distance in relation to said inner ring, and several links that are inclined in relation to the radial direction in the direction of the periphery, integrally connecting the inner ring to the outer ring. Said arrangement comprises an adjusting device for rotating the inner ring in relation to the outer ring by elastically modifying the inner diameter that corresponds to the running clearance.

Description

Anordnung zur Laufspaltoptimierung für Turbomaschinen Arrangement for slit optimization for turbomachinery
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Laufspaltoptimierung für zumindest abschnittsweise in Axialbauart ausgeführte Turbomaschinen durch Steuerung bzw. Regelung des laufspaltrelevanten Innendurchmessers mindestens einer einen Laufschaufelkranz umschließenden Statorstruktur.The invention relates to an arrangement for optimizing the running gap for at least sections of axial-type turbomachinery by controlling or regulating the run-gap-relevant inner diameter of at least one stator blade surrounding a rotor blade ring.
In Fachkreisen werden für diese Technologie meist die Bezeichnungen „aktive Spalthaltungskontrolle" bzw. „Active Clearance Control CACC)" verwendet. Die bekannten konstruktiven Lösungen beruhen in der Regel auf dem Prinzip, dass Gehäusebereiche bzw. Statorelemente definiert mit Luft niedrigerer Temperatur, d. h. mit Kühlluft, angeströmt werden, um durch thermische Kontraktion dieser Bauteile den Laufspalt zu beeinflussen. Eine Reduzierung bzw. Unterbrechung des Kühlluftstromes lässt die Bauteile wieder expandieren. Die Wirkungsweise ist umso effektiver, je größer der Temperaturunterschied zwischen Bauteil und Kühlluft ist. Vorzugsweise wird ein heißer Turbinenstator mit relativ kühler Verdichterluft beaufschlagt. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der US 6 454 529 Bl geschützt. Die Entwicklung geht auch bei Verdichtern hin zur aktiven Spalthaltungskontrolle. Eine thermische Beeinflussung des Gehäuses bzw. Stators stößt speziell im Verdichter infolge geringer Temperaturunterschiede an ihre Grenzen. Somit sind reaktionsschnellere und leistungsfähigere Systeme gefragt.The term "active fission control" or "Active Clearance Control CACC" is usually used by experts in this technology. The known structural solutions are generally based on the principle that housing areas or stator elements defined with air lower temperature, d. H. With cooling air, are flown to influence by thermal contraction of these components, the running gap. A reduction or interruption of the cooling air flow causes the components to expand again. The effect is the more effective, the greater the temperature difference between the component and cooling air. Preferably, a hot turbine stator is charged with relatively cool compressor air. Such an arrangement is protected, for example, in US Pat. No. 6,454,529 B1. The development also goes with compressors to the active fission attitude control. A thermal influence of the housing or stator comes especially in the compressor due to low temperature differences to their limits. Thus, more responsive and more powerful systems are in demand.
Angesichts der bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Anordnung zur Laufspaltoptimierung für zumindest abschnittsweise in Axialbauart ausgeführte Turbomaschinen vorzuschlagen, welche besonders reaktionsschnell sowie leistungsstark und daher vorzugsweise für den Einsatz in Verdichtern geeignet ist.In view of the known solutions, the object of the invention is to propose an arrangement for running gap optimization for at least sections of axial design executed turbomachinery, which is particularly responsive and powerful and therefore preferably suitable for use in compressors.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff. Die Anordnung weist eine neuartige Statorstruktur mit einem Innenring, einem zu diesem konzentrischen und radial beabstandeten Außenring und mehreren die Ringe integral verbindenden Stegen auf. Alle Stege sind relativ zur Radialrichtung um den gleichen Winkel in Umfangsrich- tung geneigt. Weiterhin umfasst die Anordnung eine Verstelleinrichtung zur Verdrehung des Innenringes relativ zum Außenring unter elastischer Veränderung des laufspaltrelevan- ten Innendurchmessers. Somit handelt es sich um eine mechanische Anordnung, welche ausgehend von einer verstellkraftfreien „Mittelstellung" je nach Verdrehrichtung sowohl eine Stauchung als auch eine Aufwertung des Innenringes unter elastischer, reversibler Verformung ermöglicht. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Anordnung hängt vorwiegend von der Schnelligkeit der gewählten Verstelleinrichtung ab. Da die Erfindung nicht auf thermisch induzierte Verformungen angewiesen ist, lassen sich geschwindigkeitsmäßig erhebliche Verbesserungen erreichen, z. B. durch hydraulische , pneumatische oder piezoelektrische Krafterzeuger. Dies hat auch den Vorteil, das für die Verstellung kein oder zumindest kein relevanter Prozessgasstrom aus dem Triebwerk entnommen werden muss.This object is achieved by the features characterized in claim 1, in conjunction with the generic features in the preamble. The assembly comprises a novel stator structure having an inner ring, an outer ring concentric with and radially spaced therefrom, and a plurality of webs integrally connecting the rings on. All webs are inclined relative to the radial direction by the same angle in the circumferential direction. Furthermore, the arrangement comprises an adjusting device for rotating the inner ring relative to the outer ring with elastic change of the running gap-relevant inner diameter. Thus, it is a mechanical arrangement which, starting from an adjustment-force-free "middle position", permits compression as well as revaluation of the inner ring with elastic, reversible deformation, depending on the direction of rotation The reaction speed of the arrangement depends primarily on the speed of the selected adjusting device. Since the invention does not rely on thermally induced deformations, considerable improvements in terms of speed can be achieved, for example by means of hydraulic, pneumatic or piezoelectric force generators, which also has the advantage that no or at least no relevant process gas flow is taken from the engine for the adjustment must become.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Preferred embodiments of the arrangement are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. In a simplified, not to scale representation:
Figur 1 einen Teilquerschnitt durch eine Anordnung zur Laufspaltoptimierung, Figur 2 einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter mit zwei Anordnungen zur Laufspaltoptimierung, und1 shows a partial cross section through an arrangement for running gap optimization, Figure 2 is a partial longitudinal section through a compressor with two arrangements for running gap optimization, and
Figur 3 einen Teilquerschnitt durch eine Anordnung zur Laufspaltoptimierung im Bereich eines Sensors zur Laufspalterfassung.3 shows a partial cross section through an arrangement for running gap optimization in the region of a sensor for running splitting.
Die Anordnung 1 zur Laufspaltoptimierung umfasst zwei wesentliche Funktionseinheiten und zwar erstens eine integrale, elastisch verformbare Statorstruktur 3 und zweitens eine Verstelleinrichtung mit mindestens einem Hebel 10, mindestens einem Aktuator 16 und mindestens einem Sensor 18 zur Laufspalterfassung. Die Statorstruktur 3 besteht im Wesentlichen aus einem kreisförmigen, in sich geschlossenen Innenring 5, aus einem zu diesem konzentrischen, radial beabstandeten kreisförmigen Außenring 7 und aus mehreren, über den Umfang der Statorstruktur 3 verteilten, den Innenring 5 und den Außenring 7 in- tegral sowie elastisch gegeneinander verdrehbar verbindenden Stegen 8. Die Stege 8 sind unter einem definierten Winkel α relativ zur Radialrichtung in Umfangsrichtung geneigt, so dass eine Relativverdrehung des Innenrings 5 und des Außenrings 7 eine reversible Stauchung oder Aufweitung des Innenrings 5 und damit eine Veränderung des laufspaltrelevan- ten Innendurchmessers D zur Folge hat. Der Innenring 5 weist in Relation zum Außenring 7 einen dünneren Querschnitt auf, ist somit deutlich nachgiebiger. Damit wird erreicht, dass die gewünschte Durchmesseränderung im Wesentlichen aus der Verformung des In- nenrings 5 resultiert. Die radial inneren und radial äußeren Enden der Stege 8 sind integral mit dem Innenring 5 bzw. dem Außenring 7 verbunden und als elastische Festkörpergelenke ausgeführt. Es ist zu erkennen, dass die Stege 8 über ihre radiale Länge konturiert sind, wobei der radial mittlere Bereich 9 gegenüber den Enden aufgedickt und somit versteift ist. Damit verhalten sich die Stege 8 über den Großteil ihrer radialen Länge starrkörperartig, was die Durchmesseränderung des Innenrings 5 bei vorgegebener Relatiwerdrehung verstärkt. Die Stege 8 können auch hinsichtlich ihrer axialen Erstreckung konturiert sein. Ihre axiale Tiefe kann am Außenring 7 größer sein, als am Innenring 5, mit einer konischen Verjüngung dazwischen. Bei hoher axialer Steifigkeit können so die Verstellkräfte reduziert werden. Diese Konturierung ist nicht dargestellt. Der Außenring 7 ist verdrehfest in einem gehäuseartigen Träger 29 gehalten, so dass er das wirklich statische Element der Statorstruktur 3 bildet. Der ggf. mit - in Figur 1 nicht dargestellten - Laufschaufelspitzen in Berührung kommende Innenring 5 ist radial innen mit einem reibtoleranten Anstreifbelag 17 versehen, dessen Innenseite den laufspaltrelevanten Innendurchmesser D vorgibt. Der Anstreifbelag 17 folgt der elastischen Verformung (Stauchung, Aufweitung) des Innenringes 5.The arrangement 1 for running gap optimization comprises two essential functional units, firstly an integral, elastically deformable stator structure 3 and secondly an adjusting device with at least one lever 10, at least one actuator 16 and at least one sensor 18 for running splitter detection. The stator structure 3 consists essentially of a circular, self-contained inner ring 5, of a concentric to this radially spaced circular outer ring 7 and a plurality of distributed over the circumference of the stator 3, the inner ring 5 and the outer ring 7 The webs 8 are inclined at a defined angle α relative to the radial direction in the circumferential direction, so that a relative rotation of the inner ring 5 and the outer ring 7, a reversible compression or expansion of the inner ring 5 and thus a change of Laufspaltrelevan - Th inner diameter D has the result. The inner ring 5 has in relation to the outer ring 7 has a thinner cross-section, is thus much more flexible. This ensures that the desired change in diameter essentially results from the deformation of the inner ring 5. The radially inner and radially outer ends of the webs 8 are integrally connected to the inner ring 5 and the outer ring 7 and designed as elastic solid joints. It can be seen that the webs 8 are contoured over their radial length, wherein the radially central region 9 is thickened relative to the ends and thus stiffened. Thus, the webs 8 behave over the majority of their radial length rigid body-like, which amplifies the change in diameter of the inner ring 5 at a given Relatiwerdrehung. The webs 8 may also be contoured with respect to their axial extent. Their axial depth can be greater on the outer ring 7 than on the inner ring 5, with a conical taper between them. At high axial stiffness so the adjustment can be reduced. This contouring is not shown. The outer ring 7 is rotationally held in a housing-like support 29, so that it forms the truly static element of the stator structure 3. The possibly with - not shown in Figure 1 - blade tips coming into contact inner ring 5 is radially inside provided with a friction-tolerant Anstreifbelag 17, the inside of the clearance gap-relevant inner diameter D predetermines. The Anstreifbelag 17 follows the elastic deformation (compression, expansion) of the inner ring. 5
Über die Statorstruktur 3 hinaus zeigt Figur 1 noch wesentliche Elemente der Verstelleinrichtung. Die die Relativverdrehung bewirkende Kraftübertragung zwischen dem Innenring 5 und dem Außenring 7 erfolgt mechanisch. Hierzu ist am Außenring 7 an wenigstens einer Stelle seines Umfangs eine Schwenkbewegungen um eine zur Drehachse der Turbomaschine parallele Achse zulassende Lagerung 13 für einen Hebel 10 angeordnet. Am Innenring 5 befindet sich eine korrespondierende Vertiefung, die zusammen mit einem nasenartigen Ende des Hebels 10 ein formschlüssiges, möglichst spielfreies und reibungsarmes Gelenk 15 bildet. Die Verbindungslinie vom Gelenk 15 zur Lagerung 13 (Mitte zu Mitte) verläuft unter einem Winkel ß zur Radialrichtung. Da an dieser Stelle kein stützender Steg 8 vorhanden ist, ist die Verstellkinematik einschließlich des Winkels ß so ausgelegt, dass die lokale laufspaltrelevante Verformung des Innenrings 5 bestmöglich der Verformung im Bereich eines Steges 8 entspricht. Dabei ist der Winkel ß in der Regel vom Winkel α verschieden. Die Winkel α und ß sind hier - willkürlich — in der Weise festgelegt, dass die Längsmittellinie eines Steges 8 und die Verbindungslinie von der Lagerung 13 zum GelenkIn addition to the stator structure 3, FIG. 1 also shows essential elements of the adjusting device. The relative rotation causing force transmission between the inner ring 5 and the outer ring 7 takes place mechanically. For this purpose, a pivoting movements about an axis parallel to the axis of rotation of the turbomachine axis permitting storage 13 for a lever 10 is disposed on the outer ring 7 at least one point of its circumference. The inner ring 5 is a corresponding recess, which together with a nose-like end of the lever 10 is a positive, play-free and low-friction Joint 15 forms. The connecting line from the joint 15 to the bearing 13 (center to center) extends at an angle ß to the radial direction. Since no supporting web 8 is present at this point, the adjusting kinematics, including the angle β, are designed so that the local run-gap-relevant deformation of the inner ring 5 optimally corresponds to the deformation in the region of a web 8. The angle β is generally different from the angle α. The angles α and β are here - arbitrarily - set in such a way that the longitudinal center line of a web 8 and the connecting line from the bearing 13 to the joint
15 (Mitte zu Mitte) jeweils mit dem lauf spaltrelevanten Innendurchmesser D geschritten werden, jeweils eine Verbindungslinie von der Drehachse der Turbomaschine zum Schnittpunkt Sl, S2 gelegt wird, und dann die spitzen Winkel zwischen der jeweiligen Verbindungslinie „Drehachse-Schnittpunkt" und der Längsmittellinie „Steg" sowie der Verbindungslinie „Lagerung -Gelenk" ermittelt werden. Die Winkel sind nur dann vergleichbar, wenn die maßgeblichen Schnittpunkte Sl, S2 auf dem gleichen Durchmesser liegen, welcher aber nicht zwingend der Innendurchmesser D zu sein braucht. Der Hebel 10 ist platzsparend abgewinkelt, wobei sein langer Hebelarm 12 an die kreiszylindrische Außenkontur des Außenringes 7 bzw. seines Trägers 29 angepasst ist und noch innerhalb des Gehäuses 27 der Turbomaschine verläuft. Die Durchfuhrung des Hebels 10 durch den Außenring 7 im Bereich der Lagerung 13 ist mit einer lippenartigen bzw. manschettenartigen Abdichtung 14 versehen, wodurch das Innere der Statorstruktur 3 von der radial äußeren Umgebung getrennt ist, es sei denn, es gibt eine Verbindung über wenigstens eine Stirnseite der Statorstruktur 3. Am Ende des langen Hebelarmes 12 greift ein Aktuator 16 an, der groß- teils auf der Außenseite des Gehäuses 27 der Turbomaschine angeordnet ist. Der Aktuator15 (center to center) are each strung with the gap-relevant inner diameter D, in each case a connecting line from the axis of rotation of the turbomachine to the intersection Sl, S2 is placed, and then the acute angle between the respective connecting line "rotation axis intersection" and the longitudinal center line " The angles are only comparable if the relevant points of intersection S1, S2 lie on the same diameter, but which does not necessarily have to be the inner diameter D. The lever 10 is angled away to save space , Wherein its long lever arm 12 is adapted to the circular cylindrical outer contour of the outer ring 7 and its support 29 and still within the housing 27 of the turbo machine runs .. The passage of the lever 10 through the outer ring 7 in the region of the bearing 13 is with a lip-like or cuff-shaped seal 14 is provided, whereby the interior of Sta is separated from the radially outer environment, unless there is a connection over at least one end face of the stator 3. At the end of the long lever arm 12 engages an actuator 16, which largely on the outside of the housing 27 of the turbomachine is arranged. The actuator
16 ist bevorzugt als doppeltwirkender, d. h. Druck- und Zugkräfte erzeugender, Kraftzylinder ausgeführt, dessen Energieversorgung pneumatisch, hydraulisch bzw. elektrisch/elektronisch erfolgen kann. Durch die Anordnung am langen Hebelarm 12 werden die Aktuatorkräfte und somit auch dessen Gewicht, etc. reduziert. Lediglich der erforderliche Aktuatorhub vergrößert sich hierdurch. In Figur 1 ist rechts unten eine weitere Lücke ohne Steg 8 mit einer Lagerung und einer Gelenkgabel für einen weiteren Hebel 10 (nicht dargestellt) erkennbar. Bei gleichmäßiger Verteilung über den Umfang wären hier also vier Ak- tuator-/Hebel-Kinematiken vorgesehen. Theoretisch würde eine Kinematik für die Statorstruktur genügen. Im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Verformung des Innen- rings 5 sowie auf ein redundantes System wird man wohl zwei oder mehr Kinematiken installieren.16 is preferably designed as a double-acting, ie pressure and tensile forces generating, power cylinder whose power supply can be pneumatically, hydraulically or electrically / electronically. Due to the arrangement on the long lever arm 12, the Aktuatorkräfte and thus also its weight, etc. are reduced. Only the required Aktuatorhub thereby increases. In Figure 1, another gap without web 8 with a bearing and a yoke for another lever 10 (not shown) is right below recognizable. With uniform distribution over the circumference, four actuator / lever kinematics would be provided here. Theoretically, a kinematics for the stator structure would suffice. With a view to the most uniform possible deformation of the inner around 5 and on a redundant system you will probably install two or more kinematics.
Figur 2 zeigt als konkretes Anwendungsbeispiel einen mehrstufigen Verdichter 26 in Axialbauweise mit zwei erfindungsgemäßen Anordnungen 1, 2 zur Laufspaltoptimierung im Teillängsschnitt. Oben erkennt man das mehrteilige Gehäuse 27 des Verdichters 26 mit Flanschverbindungen. Unten in Figur 2 ist der Strömungskanal des Verdichters mit mehreren Lauf- und Leitschaufelkränzen sowie einem Teil des Rotors 34 dargestellt. Die — nicht wiedergegebene — Drehachse würde horizontal unterhalb der Darstellung verlaufen. Die Durchströmung des Verdichters 26 erfolgt von links nach rechts, siehe die weißen Pfeile. Die Anordnungen 1, 2 liegen in den Radialebenen der Laufschaufelkränze 30, 31, wobei der axiale Abstand so ist, dass noch ein Leitschaufelkranz mit Leitschaufelkranz- segmenten 33 zwischen den Anordnungen 1, 2 Platz findet. Konzentrisch mit radialem Abstand ist innerhalb des Gehäuses 27 ein gemeinsamer Träger 29 für die beiden Statorstrukturen 3, 4 vorhanden und über eine Flanschverbindung am Gehäuse 27 befestigt. Man erkennt die durch den Träger 29 hindurchführenden Hebel 10, 11 sowie die beiden Sockel für die hier nicht wiedergegebenen Aktuatoren außen, hier oben, am Gehäuse 27. Der Innenring 5 der linken, stromaufwärtigen Statorstruktur 3 ist beiderseits mit Leitschaufelkranz- segmenten 32, 33 kinematisch gekoppelt. Der Innenring 6 der rechten Statorstruktur 4 ist einseitig mit den Leitschaufelkranzsegrnenten 33 kinematisch gekoppelt. Auf diese Weise beeinflussen die Anordnungen 1, 2 nicht nur die Laufspalte der Laufschaufelkränze 30, 31, d. h. die Outer Airseal, sondern auch die Spalte zwischen dem Rotor 34 und den Leitschau- felkranzsegmenten 32, 33, d. h. die Inner Airseal. Durch die beidseitige Koppelung mit den Innenringen 5 und 6 werden die Leitschaufelkranzsegmente 33 optimal mitbewegt. Die nur einseitig mit dem Innenring 5 gekoppelten Leitschaufelkranzsegmente 32 werden nicht im selben Maß, aber immer noch in vorteilhafter Weise mitbewegt.FIG. 2 shows, as a concrete example of application, a multi-stage compressor 26 in an axial construction with two arrangements 1, 2 according to the invention for splitting optimization in partial longitudinal section. Above you can see the multi-part housing 27 of the compressor 26 with flange. 2, the flow channel of the compressor with a plurality of rotor and vane rings and a part of the rotor 34 is shown. The - not reproduced - rotation axis would run horizontally below the representation. The flow through the compressor 26 is from left to right, see the white arrows. The arrangements 1, 2 lie in the radial planes of the blade rings 30, 31, wherein the axial distance is such that there is still a vane ring with Leitschaufelkranz- segments 33 between the arrangements 1, 2 place. Concentric with a radial distance, a common carrier 29 for the two stator structures 3, 4 is present within the housing 27 and fastened to the housing 27 via a flange connection. One recognizes the levers 10, 11 passing through the carrier 29 and the two pedestals for the actuators not shown here on the outside, here above, on the housing 27. The inner ring 5 of the left, upstream stator structure 3 is kinematic on both sides with vane ring segments 32, 33 coupled. The inner ring 6 of the right stator structure 4 is kinematically coupled on one side with the Leitschaufelkranzsegrnenten 33. In this way, the assemblies 1, 2 affect not only the running gaps of the blade rings 30, 31, d. H. the outer airseal, but also the gap between the rotor 34 and the Leitschau- felkranzsegmenten 32, 33, d. H. the Inner Airseal. Due to the two-sided coupling with the inner rings 5 and 6, the vane ring segments 33 are optimally moved. The vane ring segments 32 coupled only on one side to the inner ring 5 are not moved to the same extent, but still advantageously.
Voraussetzung für eine Steuerung bzw. Regelung im Sinne einer Optimierung ist, dass der tatsächliche, momentane Laufspalt in angepassten Zeitabständen erfasst und steuerungs- bzw. regelungstechnisch verarbeitet wird. Bei eher stationären Betriebszuständen können größere Zeitintervalle zwischen den Messungen liegen, bei hochgradig instationären Be- triebszuständen wird man Messungen in kurzen Zeitabständen bis hin zu einer kontinuierlichen Messwerterfassung durchfuhren. Schon aus Redundanzgründen sollten mindestens zwei Sensoren zur Laufspalterfassung vorhanden sein. Bei mehreren Stufen wirkt die Redundanz über die Stufen hinweg. Mit mehreren Sensoren am Umfang ist es auch möglich, quasi-statische Exzentrizitäten des Rotors relativ zum Stator zu erfassen. Figur 3 zeigt im Teilquerschnitt den Bereich eines derartigen Sensors 18 innerhalb einer Anordnung zur Laufspaltoptimierung. Der Sensor 18 ist relativ zu dem einen Laufschaufelkranz unmittelbar umschließenden Innenring 5 fest angeordnet. Zu diesem Zweck ist in den Innenring 5 ein buchsenartiger Halter 20 integriert, in den der Sensor 18 radial von Außen gegen Anschlag einführbar und wieder herausziehbar ist. Das maßgebliche, radial innere Sensorende ist etwa bündig mit der inneren Oberfläche des Anstreifbelags 17. Durch ein geringfügiges Zurücksetzen radial nach Außen wird sichergestellt, dass der Sensor 18 beim Anstreifen der Laufschaufelspitzen nicht beschädigt wird. Jedenfalls muss der Anstreif belag im Bereich des Sensors 18 ein „Fenster", d. h. einen Durchbruch aufweisen. Je nach Abstand der Stege 8 in Umfangsrichtung muss ggf. mindestens ein Steg 8 entfallen, um dem Sensor 18 samt Halter 20 Platz zu machen. Da der Innenring 5 zur Spaltoptimierung zusammen mit dem Sensor 18 relativ zum Außenring 7 verdreht wird, ist in letzterem eine Durchführung 21 mit ausreichend Spiel in Umfangsrichtung zum Sensorschaft hin vorgesehen. Zur Abdichtung der Durchführung 21 ist ein an dem Außendurchmesser des Außenrings 7 anliegender, gleitfähiger Dichtring 22 angeordnet, welcher über eine Federscheibe 23 radial von Außen belastet ist. Zwischen dem Gehäuse 27 des Verdichters 26 und dem Außenring 7 erstreckt sich radial ein Faltenbalg 24, welcher einen elastischen, offenen Kanal für eine flexible Anschlussleitung 19 des Sensors 18 bildet. Der Faltenbalg 24 wird auch dazu benutzt, den Sensor 18 durch Ausübung einer definierten Radialkraft in seiner Betriebsposition zu halten. Der Faltenbalg 24 ist seinerseits mit einem Deckel 25 verbunden, der an einem Flansch 28 des Gehäuses 27 lösbar und abgedichtet befestigt, vorzugsweise angeschraubt ist. Die Anschlussleitung 19 führt zu elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen, welche dem Steuer- bzw. Regelsystem des die Spaltoptimierung letztlich ausführenden, mindestens einen Aktuators 16 zuzurechnen sind. The prerequisite for a control or regulation in the sense of an optimization is that the actual, instantaneous running gap is recorded at adjusted time intervals and processed in terms of control or regulation. For more steady-state operating conditions, larger time intervals may be between the measurements, for highly unsteady operating states, one will carry out measurements at short intervals of time up to a continuous measurement value acquisition. For reasons of redundancy, at least two sensors should be present for the run splitter detection. With multiple levels, redundancy works across levels. With several sensors on the circumference it is also possible to detect quasi-static eccentricities of the rotor relative to the stator. FIG. 3 shows, in a partial cross-section, the region of such a sensor 18 within an arrangement for running-gap optimization. The sensor 18 is fixed relative to the inner ring 5 immediately surrounding a blade ring. For this purpose, a sleeve-like holder 20 is integrated into the inner ring 5, in which the sensor 18 is radially inserted from the outside against the stop and again pulled out. The authoritative radially inner sensor end is approximately flush with the inner surface of the squealer pad 17. By slightly resetting radially outward, it is ensured that the sensor 18 is not damaged when the blade tips are rubbed against it. In any case, the Anstreif must have a "window", ie a breakthrough in the region of the sensor 18. Depending on the distance between the webs 8 in the circumferential direction, if necessary, at least one web 8 must be omitted in order to make room for the sensor 18 including the holder 20 Inner ring 5 is rotated for gap optimization together with the sensor 18 relative to the outer ring 7, in the latter a passage 21 is provided with sufficient clearance in the circumferential direction to the sensor shaft A bellows 24 extends radially between the housing 27 of the compressor 26 and the outer ring 7 and forms an elastic, open channel for a flexible connection line 19 of the sensor 18. The bellows 24 is also used to the sensor 18 by exerting a defined radial force in its Betri ebsposition to keep. The bellows 24 is in turn connected to a cover 25 which is attached to a flange 28 of the housing 27 releasably and sealed, preferably screwed. The connection line 19 leads to electrical or electronic components, which are attributable to the control or regulation system of the gap optimization ultimately exporting, at least one actuator 16.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur Laufspaltoptimierung für zumindest abschnittsweise in Axialbauart ausgeführte Turbomaschinen, wie z. B. Turbo Verdichter, Gasturbinen und Dampfturbinen, insbesondere für Verdichter von stationären Gasturbinen, durch Steuerung bzw. Regelung des laufspaltrelevanten Innendurchmessers mindestens einer einen Laufschaufelkranz umschließenden Statorstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorstruktur (3, 4) einen geschlossenen, kreisförmigen Innenring (5, 6), einen zu dem Innenring (5, 6) konzentrischen und radial beabstandeten, kreisförmigen Außenring (7) sowie mehrere, den Innenring (5, 6) mit dem Außenring (7) integral verbindende, unter einem definierten Winkel (α) zur Radialrichtung in Umfangsrich- tung geneigte und über den Umfang der Statorstruktur (3, 4) verteilte Stege (8) aufweist, und dass die Anordnung (1, 2) eine Verstelleinrichtung zur Verdrehung des In- nenringes (5, 6) relativ zum Außenring (7) unter elastischer Veränderung des laufspaltrelevanten Innendurchmessers (D) des Innenringes (5, 6) umfasst.1. arrangement for running gap optimization for at least partially executed in Axialbauart turbomachinery such. As turbo compressors, gas turbines and steam turbines, in particular for compressors of stationary gas turbines, by controlling or regulating the running clearance relevant inside diameter of at least one rotor blade enclosing a stator structure, characterized in that the stator structure (3, 4) has a closed, circular inner ring (5, 6), one to the inner ring (5, 6) concentric and radially spaced, circular outer ring (7) and a plurality, the inner ring (5, 6) with the outer ring (7) integrally connected, at a defined angle (α) to the radial direction in the circumferential direction inclined and over the circumference of the stator structure (3, 4) distributed webs (8), and that the arrangement (1, 2) an adjusting device for rotating the inner nenringes (5, 6) relative to the outer ring (7 ) under elastic change of the clearance-relevant inner diameter (D) of the inner ring (5, 6).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung mindestens einen am Außenring (7) schwenkbar gelagerten und mit dem Innenring (5, 6) formschlüssig sowie gelenkig verbundenen Hebel (10, 11) und mindestens einen den Hebel (10, 11) bewegenden Akruator (16) umfasst.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the adjusting at least one on the outer ring (7) pivotally mounted and with the inner ring (5, 6) positively and articulated lever (10, 11) and at least one lever (10, 11 ) moving aggravator (16).
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hebel (10, 11) abgewinkelt, über den Großteil seiner Länge an den Außendurchmesser des Außenringes (7) angepasst und im Bereich seiner Lagerung (13) am Außenring (7) abgedichtet ist. 3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the at least one lever (10, 11) angled over the majority of its length to the outer diameter of the outer ring (7) adapted and sealed in the region of its mounting (13) on the outer ring (7) is.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktuator (16) als Kraftzylinder ausgeführt ist und am Ende des langen Hebelarmes (12) des Hebels (10, 11) außerhalb des Außenringes (7) angreift.4. Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the at least one actuator (16) is designed as a power cylinder and at the end of the long lever arm (12) of the lever (10, 11) outside of the outer ring (7) engages.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Innenring (5, 6) mindestens ein den Laufspalt erfassender Sensor (18) befestigt ist.5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the inner ring (5, 6) at least one of the running gap detecting sensor (18) is fixed.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (7) mindestens eine abgedichtete Durchführung (21) für die Anschlussleitung (19) des mindestens einen Sensors (18) sowie für den Einbau und Ausbau des mindestens einen Sensors (18) durch den Außenring (7) hindurch aufweist.6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the outer ring (7) at least one sealed passage (21) for the connecting line (19) of the at least one sensor (18) and for the installation and removal of the at least one sensor (18) having the outer ring (7) therethrough.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (18) in einen Regelkreis zur Betätigung des mindestens einen Aktuators (16) integriert ist.7. Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the at least one sensor (18) is integrated in a control circuit for actuating the at least one actuator (16).
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (5, 6) im Querschnitt dünner und somit leichter verformbar als der Außenring (7) ausgeführt ist.8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the inner ring (5, 6) in cross-section thinner and thus more easily deformable than the outer ring (7) is executed.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (8) konturiert und dabei im radial mittleren Bereich (9) zwischen dem Innenring (5, 6) und dem Außenring (7) dicker ausgeführt sind. 9. Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the webs (8) contoured and thereby in the radially central region (9) between the inner ring (5, 6) and the outer ring (7) are made thicker.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des mindestens einen Hebels (10, 11) zwischen seiner Lagerung (13) am Außenring (7) und seiner Verbindung zum Innenring (5, 6) unter einem definierten Winkel (ß) zur Radialrichtung im Hinblick auf optimale Rundheit des Innenringes (5, 6) über die Verstellbewegung gewählt und von der Neigung der Stege (α) relativ zur Radialrichtung verschieden ist.10. Arrangement according to one of claims 2 to 9, characterized in that the inclination of the at least one lever (10, 11) between its bearing (13) on the outer ring (7) and its connection to the inner ring (5, 6) under a defined Angle (ß) to the radial direction with respect to optimum roundness of the inner ring (5, 6) selected on the adjustment movement and the inclination of the webs (α) relative to the radial direction is different.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (5, 6) der mindestens einen Statorstruktur (3, 4) auf wenigstens einer Seite mit Leitschaufelkranzsegmenten (32, 33) kinematisch gekoppelt ist und somit auch deren Laufspalt zum Rotor hin beeinflusst.11. Arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the inner ring (5, 6) of the at least one stator structure (3, 4) on at least one side with Leitschaufelkranzsegmenten (32, 33) is kinematically coupled and thus their running gap influenced towards the rotor.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Statorstraktur (3, 4) für eine Verkleinerung des laufspaltrele- vanten Innendurchmessers (D) um ca. -0,2 % durch Stauchung des Innenringes (5, 6) und eine Vergrößerung des laufspaltrelevanten Innendurchmessers (D) um ca. + 0,2 % durch Aufweitung des Innenringes (5, 6) ausgelegt ist.12. Arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the at least one Statorstraktur (3, 4) for a reduction of the running gap-relevant inner diameter (D) by about -0.2% by compression of the inner ring (5, 6) and an enlargement of the running gap-relevant inside diameter (D) by approximately + 0.2% by widening of the inner ring (5, 6) is designed.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (8) am Außenring (7) in Axialrichtung eine größere Tiefe als am Innenring (5, 6) aufweisen und sich vom Außenring (7) zum Innenring (5, 6) konisch verjüngen. 13. Arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the webs (8) on the outer ring (7) in the axial direction a greater depth than on the inner ring (5, 6) and from the outer ring (7) to the inner ring (5 , 6) taper conically.
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