EP2129875A2 - Turbomaschine mit active clearance control - Google Patents

Turbomaschine mit active clearance control

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EP2129875A2
EP2129875A2 EP08706764A EP08706764A EP2129875A2 EP 2129875 A2 EP2129875 A2 EP 2129875A2 EP 08706764 A EP08706764 A EP 08706764A EP 08706764 A EP08706764 A EP 08706764A EP 2129875 A2 EP2129875 A2 EP 2129875A2
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EP
European Patent Office
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shroud
adjusting device
gap
turbomachine according
rotation
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EP08706764A
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English (en)
French (fr)
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EP2129875B1 (de
Inventor
Joachim Wulf
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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Publication of EP2129875A2 publication Critical patent/EP2129875A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2129875B1 publication Critical patent/EP2129875B1/de
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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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/292—Three-dimensional machined; miscellaneous tapered
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/50—Kinematic linkage, i.e. transmission of position
    • 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 a turbomachine, in particular a gas turbine, according to the preamble of claim 1 or 6 or 11.
  • a turbomachine with a stator and a rotor wherein the rotor blades and the stator has a housing and vanes.
  • the rotor-side blades form at least one blade ring, which is adjacent at a radially outer end to a radially inner housing wall of the housing, is surrounded by the same and defines a radial gap with the same.
  • the radially inner housing wall of the housing is also referred to as a shroud and serves in particular as a carrier for an inlet lining.
  • the gap between the shroud of the housing and the radially outer end of the or each blade ring to provide a so-called Active Clearance Control can be adjusted or adjusted by means of adjusting devices in its gap, so to automatically influence the gap and to ensure an optimal gap position over all operating conditions.
  • the radially inner housing wall or the outer ring is segmented in the circumferential direction, wherein preferably each segment is assigned a separate actuating device.
  • the adjusting devices are preferably designed as electro-mechanical actuators.
  • the arrangement of the electro-mechanical actuators, which act on the segments of the radially inner housing wall and the shroud takes a relatively large amount of space, which increases the overall dimensions of the turbomachine.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel turbomachine with Active Clearance Control, which has smaller dimensions.
  • the shroud ring is designed as a coupling ring.
  • concentrically surrounded actuating device wherein opposing surfaces of the shroud and the adjusting device are contoured frustoconical, and wherein between the shroud and the adjusting device in the radial direction and in the circumferential direction with respect to the axial obliquely angebring, cylindrical rolling elements are positioned so that the adjusting device relative to the shroud is rotatable with simultaneous adjustment of the gap.
  • this problem is solved by a turbomachine according to claim 6.
  • the shroud is concentrically surrounded by a trained as a coupling ring adjusting device, wherein opposing surfaces of the shroud and the actuator are contoured cylindrical, wherein between the shroud and the actuator clamping body-like, non-cylindrical rolling elements are positioned, depending on their rotational position a different radial extent have, and wherein the adjusting device relative to the shroud with simultaneous adjustment of the gap is rotatable.
  • this problem is solved by a turbomachine according to claim 11.
  • the shroud of a trained as a coupling ring adjusting device is concentrically surrounded, with opposite surfaces of the shroud and the actuator are contoured such that one of the surfaces is cylindrical and the other of the surfaces ramped contoured, and wherein between the shroud and the actuator cylindrical rolling elements are positioned so that the adjusting device relative to the shroud with simultaneous adjustment of the gap is rotatable.
  • the inventive concepts of an active clearance control on a turbomachine come with a relatively small space, so that only slightly increases the overall size of a turbomachine. Due to the relatively simple structural design, the turbomachine is also susceptible to wear. Furthermore, only small adjustment forces are required to rotate the ring-like adjusting device relative to the jacket ring for adjusting the gap. Another advantage is that the involved assemblies are mainly subjected to train and pressure, but no or only a small bending stress are exposed.
  • Fig. 1 is a highly schematic detail of a turbomachine according to the invention according to a first aspect of the present invention
  • 2 shows a highly schematic detail of a turbomachine according to the invention according to a second aspect of the present invention
  • FIG. 3 shows a highly schematic detail of a turbomachine according to the invention according to a third aspect of the present invention.
  • the present invention relates to a turbomachine, in particular a gas turbine, such as e.g. a gas turbine aircraft engine.
  • a turbomachine in particular a gas turbine, such as e.g. a gas turbine aircraft engine.
  • Such turbomachines have at least one compressor, at least one combustion chamber and at least one turbine, wherein both in the region of the or each compressor and in the region of the or each turbine, a stator and a rotor is present.
  • the rotor of a compressor or a turbine comprises a plurality of rotating blades.
  • the stator of a compressor or a turbine comprises a housing and a plurality of stationary vanes.
  • the blades associated with the rotor rotate with respect to the fixed housing and fixed stator vanes, the vanes forming vane rings and the rotor blades forming rotor blades.
  • a rotor blade ring is positioned between two guide vane rings arranged one behind the other in the direction of flow.
  • Both in the region of the or each compressor and in the region of the or each turbine of a turbomachine is between a radially outer end of a blade ring and a radially inner housing wall of the housing, which serves as a shroud is designated, a gap formed, which must be as small as possible to optimize the efficiency of the turbomachine.
  • the present invention now relates to such details of a turbomachine, by means of which the gap between the radially outer end of a blade ring and the radially inner housing wall or the outer ring of a housing in the sense of an Active Clearance Control can be automatically influenced or changed.
  • the invention is preferably used in the region of a compressor of a turbomachine.
  • the invention is not limited to use in the area of the compressor, but the invention can also be used in the area of a turbine of a turbomachine.
  • Fig. 1 shows a highly schematic section of a turbomachine according to the invention according to a first aspect of the present invention.
  • FIG. 1 shows a radially inner housing wall or a shroud 10 of a stator of a compressor of a gas turbine, wherein the shroud 10 encloses a non-illustrated blade ring. Between the shroud 10 and a radially outer end of the blade ring, not shown, a likewise not shown gap is formed.
  • the shroud 10 is concentrically surrounded by a trained as a coupling ring adjusting device 11. 1 opposite surfaces 12, 13 of the outer ring 10 and adjusting device 11 are frustoconical contoured, wherein between the opposing surfaces 12 and 13 of the shroud 10 and actuator 11 and thus between the shroud 10 and actuator 11 formed as a cylindrical rollers rolling elements 14 are arranged are, which are inclined relative to the axial direction of the shroud 10 in the radial direction and in the circumferential direction. Due to the fact that between the shroud 10 and the adjusting device 11, which surrounds the shroud 10 concentrically, the rolling elements 14 are arranged, the adjusting device 11 can be rotated relative to the shroud 10.
  • rolling elements 14 are preferably formed as so-called cage-guided rollers.
  • the gap of the gap based on an initial dimension can be reduced in a first direction of rotation of the ring-like adjusting device 11, in a second direction of rotation of the adjusting device 11, the gap is compared to the réelleheld enlarged.
  • a mechanism which consists essentially of two concentric rings, namely a first one Ring, which is formed by the shroud 10, and a second ring, which is formed by the adjusting device 11. Between these two rings, ie between the shroud 10 and the adjusting device 11, rolling elements 14 designed as rollers are preferably arranged, which allow the adjusting device 11 to rotate relative to the shroud 10.
  • rolling elements 14 are relative to the axial extension of the housing wall 10 and thus is inclined relative to the axial extent of the turbomachine in the circumferential direction and in the radial direction, wherein the opposing surfaces 12, 13 of the outer ring 10 and adjusting device 11, between which the rolling elements 14 are arranged frustoconical contoured.
  • the rotation of the adjusting device 11 relative to the shroud 10 further causes an axial displacement of the adjusting device 11 relative to the shroud 10.
  • the adjusting device 11 is screwed onto the shroud 10, so to speak.
  • the executed in a relatively thick wall thickness adjusting device 11 deforms the executed in a relatively thin wall thickness shroud 10 in the sense of elastic deformation, so adjusted by turning the actuator 11 relative to the shroud 10, the diameter of the shroud 10 and thus the gap between the shroud and the blade ring can be adjusted.
  • FIG. 2 shows a highly schematic section of a turbomachine according to the invention according to a second aspect of the present invention.
  • FIG. 2 again shows a radially inner housing wall or a shroud 17 of a stator of a compressor of a gas turbine, the shroud 17 enclosing a rotor blade ring (not shown). Between the shroud 17 and the radially outer end of the rotor blade ring, not shown, in turn, a non-illustrated gap is formed.
  • the shroud 17 is concentrically surrounded by a trained as a coupling ring adjusting device 18.
  • opposite surfaces 19 and 20 of the outer ring 17 and the adjusting device 18 are cylindrically contoured, non-cylindrical, clamping body-like rolling elements 21 being arranged between the opposing surfaces 19, 20.
  • the clamping body-like rolling elements 21 are guided in cages 22, 23 under prestress via a spring element 24.
  • the adjusting device 18 is rotated relative to the shroud 17, wherein during the rotation of the adjusting device 18 relative to the shroud 17 and the rolling elements 21 are rotated, the rolling elements 21 depending on their rotational position have a different radial extent.
  • the shroud 17 is deformed by reducing the gap between the shroud 17 and the radially outer ends of the blades, not shown.
  • the adjusting device 18 is rotated relative to the shroud 17 such that, as a result of this rotation, the radial extent of the rolling elements 21 decreases.
  • FIG. 3 A schematic section of a turbomachine according to the invention according to a third aspect of the present invention, Fig. 3, wherein also in Fig. 3, a jacket ring 25 of a stator of a compressor of a gas turbine is shown, which encloses a non-illustrated blade ring and with the non-illustrated illustrated blade ring limits a gap, also not shown. Also in the embodiment of Fig. 3, the shroud 25 is concentrically surrounded by a trained as a coupling ring adjusting device 26. Opposing surfaces 27 and 28 of shroud 27 and actuator 26 are contoured in the embodiment of FIG. 3 such that the surface 28 of the actuator 26 is cylindrical and the surface 27 of the shroud 25 is contoured in a ridge shape.
  • a plurality of ramps 30 are formed on the surface 27 of the shroud 25, on which roll between the opposing surfaces 27 and 28 of the shroud 25 and actuator 26, cylindrical rolling elements 29 roll.
  • the surface 27 of the jacket 25 may be cylindrical and the surface 28 of the actuator 26 may be contoured ramped.
  • the rolling elements 29 roll on the formed in the area of the surface 27 ramps 30, at the same time the shroud 27 and thus the gap between the shroud 27 and the non-illustrated blade ring can be changed and thus adjusted ,
  • the gap is reduced in relation to an initial dimension; in a second direction of rotation of the adjusting device 26, the gap dimension of the gap relative to the initial dimension can be increased.
  • the adjusting device 18 or 20 in a relatively thick wall thickness and the shroud 17 and 25 in a relatively thin wall thickness.
  • the shroud 17 or 25 is subject to an elastic deformation as a result of the rotation of the actuating device 18 or 26.
  • the inventive mechanism for providing an active clearance control on a turbomachine is characterized by a compact design with a low overall height. There are only small adjustment forces and no holding forces required. Components are mainly loaded on train and pressure, but are exposed to little or no bending load.

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)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)

Description

Turbomaschine
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6 bzw. 11.
Aus der DE 10 2004 037 955 Al ist eine Turbomaschine mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist. Die rotorseitigen Laufschaufeln bilden mindestens einen Laufschaufelkranz, der an einem radial außenliegenden Ende an eine radial innenliegende Gehäusewand des Gehäuses angrenzt, von derselben umgeben ist und mit derselben einen radialen Spalt begrenzt. Die radial innenliegende Gehäusewand des Gehäuses wird auch als Mantelring bezeichnet und dient insbesondere als Träger für einen Einlaufbelag. Aus der DE 10 2004 037 955 Al ist weiterhin bekannt, dass der Spalt zwischen dem Mantelring des Gehäuses und dem radial außenliegenden Ende des oder jedes Laufschaufelkranzes zur Bereitstellung eines sogenannten Active Clearance Control über Stelleinrichtungen in seinem Spaltmaß eingestellt bzw. angepasst werden kann, um so automatisch den Spalt zu beeinflussen und über alle Betriebsbedingungen eine optimale Spalthaltung zu gewährleisten. Dabei ist nach der DE 10 2004 037 955 Al die radial innenliegende Gehäusewand bzw. der Mantelring in Umfangsrichtung segmentiert, wobei vorzugsweise jedem Segment eine separate Stelleinrichtung zugeordnet ist. Die Stelleinrichtungen sind vorzugsweise als elektro-mechanische Aktuatoren ausgeführt. Die Anordnung der elektro-mechanischen Aktuatoren, die auf die Segmente der radial innenliegenden Gehäusewand bzw. des Mantelrings einwirken, nimmt relativ viel Bauraum in Anspruch, wodurch sich die Gesamtabmessungen der Turbomaschine vergrößern.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Turbomaschine mit Active Clearance Control zu schaffen, die geringere Abmessungen aufweist.
Dieses Problem wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Hiernach ist der Mantelring von einer als Überwurfring ausge- bildeten Stelleinrichtung konzentrisch umgeben, wobei sich gegenüberliegende Flächen des Mantelrings und der Stelleinrichtung kegelstumpfförmig konturiert sind, und wobei zwischen dem Mantelring und der Stelleinrichtung in Radialrichtung und in Umfangsrich- tung gegenüber der Axialrichtung schräg angestellte, zylindrische Wälzkörper positioniert sind, sodass die Stelleinrichtung gegenüber dem Mantelring unter gleichzeitiger Einstellung des Spalts verdrehbar ist.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 6 gelöst. Hiernach ist der Mantelring von einer als Überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung konzentrisch umgeben, wobei sich gegenüberliegende Flächen des Mantelrings und der Stelleinrichtung zylindrisch konturiert sind, wobei zwischen dem Mantelring und der Stelleinrichtung klemmkörperartige, nicht-zylindrische Wälzkörper positioniert sind, die abhängig von ihrer Drehposition eine abweichende Radialerstreckung aufweisen, und wobei die Stelleinrichtung gegenüber dem Mantelring unter gleichzeitiger Einstellung des Spalts verdrehbar ist.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 11 gelöst. Hiernach ist der Mantelring von einer als Überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung konzentrisch umgeben, wobei sich gegenüberliegende Flächen des Mantelrings und der Stelleinrichtung derart konturiert sind, dass eine der Flächen zylindrisch und die andere der Flächen rampenartig konturiert ist, und wobei zwischen dem Mantelring und der Stelleinrichtung zylindrische Wälzkörper positioniert sind, sodass die Stelleinrichtung gegenüber dem Mantelring unter gleichzeitiger Einstellung des Spalts verdrehbar ist.
Die erfindungsgemäßen Konzepte eines Active Clearance Control an einer Turbomaschine kommen mit relativ geringem Bauraum aus, so dass sich die Gesamtabmessung einer Turbomaschine nur geringfügig vergrößert. Bedingt durch den relativ einfachen konstruktiven Aufbau ist die Turbomaschine darüber hinaus auch verschleißunanfällig. Ferner werden nur geringe Verstellkräfte benötigt, um die ringartige Stelleinrichtung gegenüber dem Mantelring zur Einstellung des Spalts zu verdrehen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die beteiligten Baugruppen vorwiegend auf Zug und Druck beansprucht werden, jedoch keiner oder nur einer geringen Biegebeanspruchung ausgesetzt sind.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein stark schematisiertes Detail einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ein stark schematisiertes Detail einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem zweiten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung; und Fig. 3 ein stark schematisiertes Detail einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem dritten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, wie z.B. ein Gasturbinenflugtriebwerk. Derartige Turbomaschinen verfügen über mindestens einen Verdichter, mindestens eine Brennkammer sowie mindestens eine Turbine, wobei sowohl im Bereich des oder jeden Verdichters als auch im Bereich der oder jeder Turbine ein Stator sowie ein Rotor vorhanden ist.
Der Rotor eines Verdichters bzw. einer Turbine umfasst mehrere rotierende Laufschaufeln. Der Stator eines Verdichters bzw. einer Turbine umfasst ein Gehäuse sowie mehrere feststehende Leitschaufeln. Die dem Rotor zugeordneten Laufschaufeln rotieren gegenüber dem feststehenden Gehäuse und den feststehenden Leitschaufeln des Stators, wobei die Leitschaufeln Leitschaufelkränze und die Laufschaufeln Laufschaufelkränze bilden. Zwischen zwei in Durchströmungsrichtung hintereinander angeordneten Leitschaufelkränzen ist dabei jeweils ein Laufschaufelkranz positioniert.
Sowohl im Bereich des oder jedes Verdichters sowie im Bereich der oder jeder Turbine einer Turbomaschine ist zwischen einem radial außenliegenden Ende eines Laufschaufelkranzes und einer radial innenliegenden Gehäusewand des Gehäuses, die als Mantelring bezeichnet wird, ein Spalt ausgebildet, der zur Optimierung des Wirkungsgrads der Turbomaschine möglichst klein ausfallen muss.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun solche Details einer Turbomaschine, mit Hilfe derer der Spalt zwischen dem radial außenliegenden Ende eines Laufschaufelkranzes und der radial innenliegenden Gehäusewand bzw. dem Mantelring eines Gehäuses im Sinne eines Active Clearance Control automatisch beeinflusst bzw. verändert werden kann.
An dieser Stelle sei daraufhingewiesen, dass die Erfindung vorzugsweise im Bereich eines Verdichters einer Turbomaschine zum Einsatz kommt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung im Bereich des Verdichters beschränkt, vielmehr kann die Erfindung auch im Bereich einer Turbine einer Turbomaschine zum Einsatz kommen.
Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung.
So zeigt Fig. 1 eine radial innenliegenden Gehäusewand bzw. einen Mantelring 10 eines Stators eines Verdichters einer Gasturbine, wobei der Mantelring 10 einen nicht- dargestellten Laufschaufelkranz umschließt. Zwischen dem Mantelring 10 und einem radial außenliegenden Ende des nicht-dargestellten Laufschaufelkranzes ist ein ebenfalls nicht- dargestellter Spalt ausgebildet.
Der Mantelring 10 ist konzentrisch von einer als Überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung 11 umgeben. Gemäß Fig. 1 sind sich gegenüberliegende Flächen 12, 13 von Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11 kegelstumpfförmig konturiert, wobei zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen 12 und 13 von Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11 und damit zwischen Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11 als zylindrische Laufrollen ausgebildete Wälzkörper 14 angeordnet sind, die relativ zur Axialrichtung des Mantelrings 10 in Radialrichtung und in Umfangsrichtung schräg angestellt sind. Bedingt dadurch, dass zwischen dem Mantelring 10 und der Stelleinrichtung 11 , welche den Mantelring 10 konzentrisch umgibt, die Wälzkörper 14 angeordnet sind, kann die Stelleinrichtung 11 gegenüber dem Mantelring 10 verdreht werden. Da die sich gegenüberliegenden Flächen 12 und 13 von Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11 kegelstumpfför- mig konturiert sind und die Wälzkörper 14 relativ zur Axialrichtung des Mantelrings 10 schräg angestellt sind, bewirkt diese Verdrehung der Stelleinrichtung 11 relativ zur Gehäusewand 10 im Sinne des Pfeils 15 weiterhin im Sinne des Pfeils 16 eine translatorische Verschiebung der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10, aufgrund derer gleichzeitig der Durchmesser des Mantelrings 10 und damit der Spalt zwischen dem Mantelring 10 und dem nicht-dargestellten Laufschaufelkranz eingestellt werden kann.
Es sei daraufhingewiesen, dass die Wälzkörper 14 vorzugsweise als sogenannte käfiggeführte Laufrollen ausgebildet sind.
Ausgehend von einer Ausgangsstellung der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10 ist in einer ersten Drehrichtung der ringartigen Stelleinrichtung 11 das Spaltmaß des Spalts bezogen auf ein Ausgangsmaß verkleinerbar, in einer zweiten Drehrichtung der Stelleinrichtung 11 ist das Spaltmaß gegenüber dem Ausgangsmaß vergrößerbar.
Bei der Verdrehung der ringartigen Stelleinrichtung 11 gegenüber dem Mantelring 10 wird der Mantelring 10 zur Einstellung des Spaltmaßes elastisch verformt.
Nach dem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird demnach zur Anpassung des Spalts zwischen dem Mantelring 10 und einem radial außenliegenden Ende eines Laufschaufelkranzes, der von dem Mantelring 10 umgeben ist, ein Mechanismus vorgeschlagen, der im Wesentlichen aus zwei konzentrischen Ringen besteht, nämlich einem ersten Ring, der von dem Mantelring 10 gebildet ist, und einem zweiten Ring, der von der Stelleinrichtung 11 gebildet ist. Zwischen diesen beiden Ringen, also zwischen dem Mantelring 10 und der Stelleinrichtung 11, sind vorzugsweise als Laufrollen ausgebildete Wälzkörper 14 angeordnet, die ein Verdrehen der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10 zulassen. Diese Wälzkörper 14 sind relativ zur Axialerstreckung der Gehäusewand 10 und damit relativ zur Axialerstreckung der Turbomaschine in Umfangsrichtung und in Radialrichtung schräg gestellt, wobei die sich gegenüberliegenden Flächen 12, 13 von Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11, zwischen denen die Wälzkörper 14 angeordnet sind, kegelstumpfför- mig konturiert sind.
Hierdurch bewirkt die Verdrehung der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10 weiterhin eine Axialverschiebung der Verstelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10. Die Stelleinrichtung 11 wird sozusagen auf den Mantelring 10 aufgeschraubt. Hierbei verformt die in einer relativ dicken Wandstärke ausgeführte Stelleinrichtung 11 den in einer relativ dünnen Wandstarke ausgeführten Mantelring 10 im Sinne einer elastischen Verformung, so dass durch Verdrehen der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10 der Durchmesser des Mantelrings 10 angepasst und damit der Spalt zwischen dem Mantelring und dem Laufschaufelkranz eingestellt werden kann. Es ist auch möglich, die Stelleinrichtung 11 aus einem steiferen Werkstoff als den Mantelring 10 zu fertigen.
Fig. 2 zeigt einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem zweiten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung. So zeigt Fig. 2 wiederum eine radial innenliegende Gehäusewand bzw. einen Mantelring 17 eines Stators eines Verdichters einer Gasturbine, wobei der Mantelring 17 einen nicht-dargestellten Laufschaufelkranz umschließt. Zwischen dem Mantelring 17 und dem radial außenliegenden Ende des nicht-dargestellten Laufschaufelkranzes ist wiederum ein nicht-dargestellter Spalt ausgebildet.
Der Mantelring 17 ist konzentrisch von einer als Überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung 18 umgeben. Gemäß Fig. 2 sind sich gegenüberliegende Flächen 19 und 20 von Mantelring 17 und Stelleinrichtung 18 zylindrisch konturiert, wobei zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen 19, 20 nicht-zylindrische, klemmkörperartige Wälzkörper 21 angeordnet sind. Die klemmkörperartigen Wälzkörper 21 sind in Käfigen 22, 23 unter Vorspannung über ein Federelement 24 geführt. Die Stelleinrichtung 18 ist gegenüber dem Mantelring 17 verdrehbar, wobei bei der Verdrehung der Stelleinrichtung 18 gegenüber dem Mantelring 17 auch die Wälzkörper 21 gedreht werden, wobei die Wälzkörper 21 abhängig von Ihrer Drehposition eine unterschiedliche Radialerstreckung aufweisen. Vergrößert sich bedingt durch die Drehung der Stelleinrichtung 18 die Radialerstreckung der Wälzkörper 21, so wird der Mantelring 17 unter Verkleinerung des Spalts zwischen dem Mantelring 17 und den radial außenliegenden Enden der nicht-dargestellten Laufschaufeln verformt. Zur Vergrößerung dieses Spalts wird die Stelleinrichtung 18 gegenüber dem Mantelring 17 derart verdreht, dass sich infolge dieser Verdrehung die Radialerstreckung der Wälzkörper 21 verkleinert.
Einen schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem dritten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 3, wobei auch in Fig. 3 ein Mantelring 25 eines Stators eines Verdichters einer Gasturbine gezeigt ist, der einen nicht- dargestellten Laufschaufelkranz umschließt und mit dem nicht-dargestellten Laufschaufelkranz einen ebenfalls nicht-dargestellten Spalt begrenzt. Auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist der Mantelring 25 konzentrisch von einer als Überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung 26 umgeben. Sich gegenüberliegende Flächen 27 und 28 von Mantelring 27 und Stelleinrichtung 26 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 derart konturiert, dass die Fläche 28 der Stelleinrichtung 26 zylindrisch und die Fläche 27 des Mantelrings 25 ram- penförmig konturiert ist. So sind an der Oberfläche 27 des Mantelrings 25 mehrere Rampen 30 ausgebildet, auf denen zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen 27 und 28 von Mantelring 25 und Stelleinrichtung 26 positionierte, zylindrische Wälzkörper 29 abrollen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 3 kann auch die Fläche 27 des Mantelrings 25 zylindrisch und die Fläche 28 der Stelleinrichtung 26 rampenförmig konturiert sein.
Bei Verdrehung der Stelleinrichtung 26 relativ zum Mantelring 25 rollen die Wälzkörper 29 auf den im Bereich der Fläche 27 ausgebildeten Rampen 30 ab, wobei gleichzeitig der Mantelring 27 und damit der Spalt zwischen dem Mantelring 27 und dem nicht- dargestellten Laufschaufelkranz verändert und damit eingestellt werden kann. In einer ersten Drehrichtung der Stelleinrichtung 26 wird der Spalt bezogen auf ein Ausgangsmaß verkleinert, in einer zweiten Drehrichtung der Stelleinrichtung 26 ist das Spaltmaß des Spalts gegenüber dem Ausgangsmaß vergrößerbar.
Auch in den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 ist in Übereinstimmung zum Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 1 die Stelleinrichtung 18 bzw. 20 in einer relativ dicken Wandstärke und der Mantelring 17 bzw. 25 in einer relativ dünnen Wandstärke ausgeführt. Der Mantelring 17 bzw. 25 unterliegt infolge der Verdrehung der Stelleinrichung 18 bzw. 26 einer e- lastischen Verformung. Ebenso ist es wiederum möglich, die Stelleinrichtung 18 bzw. 26 aus einem steiferen Werkstoff als den Mantelring 17 bzw. 25 zu fertigen.
Der erfindungsgemäße Mechanismus zur Bereitstellung einer Active Clearance Control an einer Turbomaschine zeichnet sich durch einen kompakten Aufbau mit einer geringen Bauhöhe aus. Es sind nur geringe Verstellkräfte und keine Haltekräfte erforderlich. Bauteile werden vorwiegend auf Zug und Druck belastet, sind jedoch keiner oder nur einer geringen Biegebelastung ausgesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist, wobei die rotorseitigen Laufschaufeln mindestens einen Laufschaufelkranz bilden, der an einem radial außenliegenden Ende desselben an eine als Mantelring ausgebildete, radial innenliegende Gehäusewand des Gehäuses angrenzt, von derselben umgeben ist und mit derselben einen Spalt begrenzt, und wobei der Spalt zwischen dem Mantelring des Gehäuses und dem radial außenliegenden Ende des oder jedes Laufschaufelkranzes durch Verformung des Mantelrings einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelring (10) von einer als Überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung (11) konzentrisch umgeben ist, dass sich gegenüberliegende Flächen (12, 13) des Mantelrings (10) und der Stelleinrichtung (11) kegelstumpfförmig konturiert sind, und dass zwischen dem Mantelring (10) und der Stelleinrichtung (11) in Radialrichtung und in Umfangsrichtung gegenüber der Axialrichtung schräg angestellte, zylindrische Wälzkörper (14) positioniert sind, sodass die Stelleinrichtung (11) gegenüber dem Mantelring (10) unter gleichzeitiger Einstellung des Spalts verdrehbar ist.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Verdrehung der als Überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung (11) gegenüber dem Mantelring (10) die Stelleinrichtung gegenüber dem Mantelring (10) in Axialrichtung unter gleichzeitiger elastischer Verformung des Mantelrings (10) zur Einstellung des Spalts verstellbar ist.
3. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Drehrichtung der Stelleinrichtung (11) ein Spaltmaß des Spalts bezogen auf ein von einer Ausgangstellung der Stelleinrichtung (11) definiertes Aus- gangsmaß verkleinerbar ist, und dass in einer zweiten Drehrichtung der Stelleinrichtung (11) ein Spaltmaß des Spalts bezogen auf ein von einer Ausgangstellung der Stelleinrichtung (11) definiertes Ausgangsmaß vergrößerbar ist.
4. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (11) relativ dickwandig und der Mantelring (10) relativ dünnwandig ausgeführt ist.
5. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (11) aus einem steiferen Werkstoff als der Mantelring (10) gefertigt ist.
6. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist, wobei die rotorseitigen Laufschaufeln mindestens einen Laufschaufelkranz bilden, der an einem radial außenliegenden Ende desselben an eine als Mantelring ausgebildete, radial innenliegende Gehäusewand des Gehäuses angrenzt, von derselben umgeben ist und mit derselben einen Spalt begrenzt, und wobei der Spalt zwischen dem Mantelring des Gehäuses und dem radial außenliegenden Ende des oder jedes Laufschaufelkranzes durch Verformung des Mantelrings einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelring (17) von einer als Überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung (18) konzentrisch umgeben ist, dass sich gegenüberliegende Flächen (19, 20) des Mantelrings (17) und der Stelleinrichtung (18) zylindrisch konturiert sind, und dass zwischen dem Mantelring (17) und der Stelleinrichtung (18) klemmkörperartige, nichtzylindrische Wälzkörper (20) positioniert sind, die abhängig von ihrer Drehposition eine abweichende Radialerstreckung aufweisen, wobei die Stelleinrichtung (18) gegenüber dem Mantelring (17) unter gleichzeitiger Einstellung des Spalts verdrehbar ist.
7. Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verdrehung der Stelleinrichtung (18) gegenüber dem Mantelring (17) die klemmkörperartigen Wälzkörper (20) gedreht werden und einer Änderung der Radialerstreckung bei gleichzeitiger elastischer Verformung des Mantelrings zur Einstellung des Spalts unterliegen.
8. Turbomaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (18) relativ dickwandig und der Mantelring (17) relativ dünnwandig ausgeführt ist.
9. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (18) aus einem steiferen Werkstoff als der Mantelring (17) gefertigt ist.
10. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Drehrichtung der Stelleinrichtung (18) ein Spaltmaß des Spalts bezogen auf ein von einer Ausgangstellung der Stelleinrichtung (18) definiertes Ausgangsmaß verkleinerbar ist, und dass in einer zweiten Drehrichtung der Stelleinrichtung (18) ein Spaltmaß des Spalts bezogen auf ein von einer Ausgangstellung der Stelleinrichtung (18) definiertes Ausgangsmaß vergrößerbar ist.
11. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist, wobei die rotorseitigen Laufschaufeln mindestens einen Laufschaufelkranz bilden, der an einem radial außenliegenden Ende desselben an eine als Mantelring ausgebildete, radial innenliegende Gehäusewand des Gehäuses angrenzt, von derselben umgeben ist und mit derselben einen Spalt begrenzt, und wobei der Spalt zwischen dem Mantelring des Gehäuses und dem radial außenliegenden Ende des oder jedes Laufschaufelkranzes durch Verformung des Mantelrings einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelring (25) von einer als Überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung (26) konzentrisch umgeben ist, dass sich gegenüberliegende Flächen (27, 28) des Mantelrings (25) und der Stelleinrichtung (26) derart konturiert sind, dass eine der Flächen
(28) zylindrisch und die andere der Flächen (27) rampenartig konturiert ist, und dass zwischen dem Mantelring (25) und der Stelleinrichtung (26) zylindrische Wälzkörper
(29) positioniert sind, sodass die Stelleinrichtung (26) gegenüber dem Mantelring (25) unter gleichzeitiger Einstellung des Spalts verdrehbar ist.
12. Turbomaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verdrehung der Stelleinrichtung (26) gegenüber dem Mantelring (26) die Wälzkörper (20) und auf Rampen (30) der rampenartig konturierten Fläche (27) bei gleichzeitiger elastischer Verformung des Mantelrings (25) zur Einstellung des Spalts abrollen.
13. Turbomaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (26) relativ dickwandig und der Mantelring (25) relativ dünnwandig ausgeführt ist.
14. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (26) aus einem steiferen Werkstoff als der Mantelring (25) gefertigt ist.
15. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Drehrichtung der Stelleinrichtung (26) ein Spaltmaß des Spalts be- zogen auf ein von einer Ausgangstellung der Stelleinrichtung (26) definiertes Ausgangsmaß verkleinerbar ist, und dass in einer zweiten Drehrichtung der Stelleinrichtung (26) ein Spaltmaß des Spalts bezogen auf ein von einer Ausgangstellung der Stelleinrichtung (26) definiertes Ausgangsmaß vergrößerbar ist.
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