EP2527600A1

EP2527600A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: EP2527600A1
Application number: EP12167451A
Authority: EP
Inventors: Jaroslaw Szwedowicz; Alexey Mozharov; Stefan Irmisch
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2012-11-28
Also published as: CN102797513B; CN102797513A; CH704995A1; RU2549922C2; RU2012121355A; JP2012246923A; US9169741B2; US20120301280A1; JP6025398B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, welche mit erhöhter Betriebstemperatur arbeitet, mit stationären und rotierenden Komponenten (12, 16), zwischen denen zur Vermeidung eines reibenden Kontaktes ein Spiel vorgesehen ist, das im Stillstand der Maschine einen ersten Wert und im stationären Betrieb der Maschine einen zweiten Wert einnimmt, und das in einer transienten Betriebsphase zwischen Stillstand und stationärem Betrieb aufgrund unterschiedlicher zeitlicher Verläufe der Rotationsgeschwindigkeit und der thermischen Ausdehnung unterschiedlicher Komponenten eine einen Extremwert aufweisende Kurve durchläuft. Ein erhöhter Wirkungsgrad wird dadurch erreicht, dass kompensierende Mittel (20) mit einem nicht-linearen Kompensationsmechanismus zum Abbau bzw. Ausgleich des Extremwertes in der transienten Betriebsphase vorgesehen werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbomaschinen wie zum Beispiel Gasturbinen, Dampfturbinen, Flugzeugtriebwerke, stationäre Verdichter oder Turbolader. Sie betrifft eine Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Die Minimierung der Spiele, insbesondere der radialen Spiele zwischen stationären und rotierenden Teilen einer Turbomaschine während des Betriebs ist entscheidend für die Minimierung von Strömungsverlusten und damit für die Maximierung des Wirkungsgrades solcher Maschinen. Zur Illustration zeigt Fig. 1 ein Beispiel einer Turbomaschine 10 in Form einer Verdichter-Anordnung mit einer auf einer (um eine Achse 13) rotierenden Welle 12 sitzenden Laufschaufel 14 und einer an einem Gehäuse 11 befestigten Leitschaufel 15. Durch Minimierung der radialen Spiele C_b und C_v zwischen der Spitze der Laufschaufel 14 und dem gegenüberliegenden Gehäuse 11 beziehungsweise der Spitze der Leitschaufel 15 und der gegenüberliegenden Welle 12 können die Strömungsverluste reduziert werden.
Aufgrund der relativen Bewegung, z.B. zwischen der Schaufelspitze der Laufschaufel 14 und dem Gehäuse 11, ist es nicht möglich, das radiale Spiel zu Null zu setzen. Eine Berührung zwischen beiden Teilen während des Betriebes kann zur Beschädigung oder sogar zur vollständigen Zerstörung der Teile führen.
Grundsätzlich gilt, dass die radialen Spiele während des Betriebes (sog. "Heiss-Spiele") durch eine Reihe von Faktoren bestimmt werden, die bei der Konstruktion einer solchen Maschine berücksichtigt werden müssen, wenn die Zusammenbauspiele (sog. "Kalt-Spiele", beim Stillstand der kalten Maschine) bestimmt werden:

● die Herstellungstoleranzen der einzelnen Bauteile;
● die Zusammenbautoleranzen;
● die Ausdehnung der Schaufeln während des Betriebs aufgrund thermischer Effekte und Zentrifugalkräfte;
● die Deformation von Welle und Gehäuse im stationären Betrieb (z.B. in Form der sogenannten "Ovalisierung") und
● zeitabhängige Deformationen und relativen Bewegungen aller Bauteile während des transienten Maschinenbetriebs (betriebliche Übergangsphase der Maschine), wie zum Beispiel dem Aufstarten oder dem Abschalten der Maschine.

Insbesondere die zeitabhängigen Deformationen und Relativbewegungen der Hauptkomponenten während des transienten Betriebs sind von Bedeutung für die Bestimmung des Kalt-Spiels und dem daraus resultierenden Heiss-Spiel. Das Ziel ist, das Kalt-Spiel in solcher Weise zu bestimmen, dass während des stationären Betriebs das resultierende Heiss-Spiel minimal ist. Aufgrund der unterschiedlichen Zeitkonstanten in der mechanischen und thermischen Verformung der Schaufeln, der Gehäuseteile und der Wellen während des Aufwärmens oder Abkühlens der Maschine wird das minimale Heiss-Spiel nicht notwendigerweise im heissen stationären Betrieb auftreten, wo das minimale Spiel wünschenswert ist. In der Regel wird das kleinste mögliche Spiel (sog. "pinch point") während einer transienten Betriebsphase auftreten, insbesondere wenn man berücksichtigt, dass die Maschine auch schnellen Lastwechseln unterworfen ist oder gestartet werden kann, wenn wesentliche Komponenten von einer vorherigen Betriebsperiode noch heiss sind. In einem solchen Fall ist es notwendig, dass Kalt-Spiel so weit zu vergrössern, dass ein harter Kontakt zwischen stationären und rotierenden Teilen während des transienten Betriebes vermieden wird, was dann konsequenterweise unter stationären Bedingungen zu einem Heiss-Spiel führt, welches grösser ist als erwünscht.
Bekannte Massnahmen zur Minimierung der Strömungsverluste, die durch verbleibende Heiss-Spiele verursacht werden, sind zum Beispiel die Einführung von Deckbändern an den Spitzen der Lauf- und Leitschaufelblätter. Um die Strömung durch den Ringspalt zwischen Deckband und Gehäuse oder Rotor zu minimieren, werden häufig eine oder mehrere Rippen in Umfangsrichtung auf dem rotierenden Teil vorgesehen, während die Oberfläche des stationären Teils eben oder abgestuft sein kann, um insgesamt eine Labyrinth-artige Dichtung zu bilden. Darüber hinaus können sog. Honeycombs (wabenartiges Material) an der Oberfläche des stationären Teils angeordnet werden, um den Rippen das Einschneiden während der transienten Betriebszustände zu ermöglichen, um so einen harten Kontakt zu vermeiden. Die dabei resultierende Konfiguration aus rotierendem Teil und eingeschnittenen Honeycomb ähnelt einer abgestuften Labyrinthdichtung und hilft die Strömungsverluste gegenüber einer Konfiguration ohne Honeycomb zu verringern. Weitere bekannte Massnahmen zur Minimierung der Heiss-Spiele bestehen darin, sogenannte Blatt- oder Bürstendichtungen am stationären Teil anzubringen, die Veränderungen im Spiel während betrieblicher Übergangsphasen bis zu einem gewissen Grade ausgleichen können. Schliesslich kann eine Kombination aus z.B. abreibenden Elementen und abreibbaren Beschichtungen auf der Gegenseite benutzt werden, um den negativen Effekt der über den Umfang auftretenden Spielvariationen abzuschwächen, die beispielsweise durch die Ovalisierung von strukturellen Teilen oder eine gewisse Exzentrizität der Welle innerhalb des Gehäuses hervorgerufen werden können.
Während alle bisher erwähnten Lösungen rein passiver Natur sind, die eine Minimierung des Heiss-Spiels ohne irgendeine aktive Anpassung der Geometrie während des Betriebs ermöglichen, gibt es auch eine Anzahl von bekannten aktiven Massnahmen zur Spielverringerung.
So ist beispielsweise ein System bekannt, wo der gesamte Rotor in axialer Richtung verschoben wird, wenn die Maschine ihren stationären Betriebzustand erreicht hat. Im Zusammenwirken mit einem konischen Strömungskanal ermöglicht dies, die radialen Spiele in der heissen Turbine aktiv zu minimieren, wobei eine Kombination mit den oben beschriebenen passiven Massnahmen grundsätzlich möglich ist. Da jedoch der ganze Rotor bewegt werden muss, ergeben sich Vergrösserungen der radialen Spiele auf der Verdichterseite. Daher ist diese Massnahme nur von Vorteil, solange die Reduzierung der Verluste in der Turbine die zusätzlichen Verlust auf der Kompressorseite überwiegen.
Anstelle einer Verschiebung der Welle schlagen andere Lösungen vor in jeder Turbinenstufe entweder die radiale thermische Ausdehnung der Schaufeln zu steuern, oder ein Federsystem einzusetzen, welches eine zusätzliche radiale Bewegung der Hitzeschilde oberhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur ermöglicht.
Bekannt ist der Einsatz von Verstellmitteln zum linearen Verstellen des Spieles oder auch von federnd nachgiebigen Lagerungsmitteln. Letzteres wird beispielsweise in EP 1 467 066 A2 beschrieben. Mit diesen technischen Lösungen ist es aber nicht möglich, einen Extremwert im Spiel in einer betrieblichen Übergangsphase der Maschine zu kompensieren.
Das Dokument US 2009/0226327 A1 beschreibt eine Blende, hergestellt aus einer sog. Gedächtnislegierung, die in die Rotorscheibe eingebaut ist. Abhängig von den lokalen Temperaturen steuert diese Blende die Menge des Kühlmittelstromes in die Turbinenschaufel. Durch Reduzierung des Kühlmittelstroms expandiert die Schaufel thermisch und verringert so den radialen Spalt zwischen Schaufelspitze und dem gegenüberliegenden stationären Bauteil. Durch Erhöhung des Kühlmittelstroms reduziert sich die Schaufellänge und vergrössert so den radialen Spalt.
Die Druckschrift in GB 2 354 290 beschreibt ein Ventil hergestellt aus einer Gedächtnislegierung eingebaut in dem Kühlkanal einer Gasturbinenschaufel. Das Ventil reguliert den Verbrauch von Kühlmittel in Abhängigkeit von der Temperatur des Bauteils. Eine Steuerung des radialen Spiels für Laufschaufeln und Leitschaufeln ist nicht beschrieben in diesem Dokument.
Die Druckschrift US 7,686,569 beschreibt ein System für die axiale Bewegung eines Schaufelrings, die durch eine am Schaufelring anliegende Druckdifferenz, die thermische Ausdehnung oder Kontraktion einer Verbindung oder durch einen Kolben hervorgerufen wird. Eine Gedächtnislegierung kann die notwendige Bewegung ebenfalls veranlassen.
Grundsätzlich können unterschiedliche passive, halb-aktive oder aktive Systeme, sowie Kombinationen hieraus für die Kontrolle der Spiele zwischen rotierenden und stationären Bauteilen in Erwägung gezogen werden. Die Spiele C_b oder C_v, welche den relativen Abstand zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente beschreiben (Fig. 1), variieren während transienten Betriebszuständen infolge der unterschiedlichen und zeitabhängigen thermischen und mechanischen Verformungen der Komponenten. Der tatsächliche zeitliche Verlauf hängt von vielen Faktoren, wie dem Volumen der Komponenten, dem Kontakt mit heissen oder kalten Medien und den thermischen Eigenschaften der verwendeten Legierungen ab.
Aufgrund dieser zeitlich unterschiedlichen Verformungen muss gemäss Fig. 2(a) das "heisse" Spiel C_b (bei Laufschaufeln) oder C_v (bei Leitschaufeln) neben einem Sicherheitsspiel C_s auch einen transienten Anteil g_t,min enthalten. Dieser transiente Anteil muss bei der Definition der Spiele im kalten gebauten Zustand, C_β,o,min und C_β,o,max, mitberücksichtigt werden.
Fig. 2 zeigt in der Teilfigur 2(a) ein Beispiel für die Veränderung über der Zeit t des Spiels zwischen rotierenden und stationären heissen Teilen für stationäre Betriebsphasen (st) und transiente Betriebsphasen (tr), wobei - wie bereits erwähnt - C_s ein Sicherheitsspiel darstellt , g_a ein Toleranzband aufgrund der Herstellungs- und Montagetoleranzen der Bauteile ist, g_t,min und g_t,max die minimalen und maximalen Differenzen zwischen dem Spiel im stationären Zustand und dem minimalen Spiel darstellen , C_β,min und C_β,max die minimalen und maximalen Spiele für die nominalen ("heissen") Betriebsbedingungen bedeuten, und C_β,o,min und C_β,o,max die entsprechenden minimalen und maximalen Spiele bei Stillstand ("kalte" Betriebsbedingung) darstellen (der Index β steht dabei für "b" resp. Laufschaufel oder "v" resp. Leitschaufel, siehe Fig. 1).
Fig. 2(b) und (c) zeigen mögliche Variationen der Rotationsgeschwindigkeit Ω der Welle 12, der Temperatur T des Arbeitsmittels (Heissgas) und der Metalltemperatur T_m über der Zeit t, wobei Ω_n und T_n entsprechend die nominale Rotationsgeschwindigkeit und nominale Heissgastemperatur in der Maschine bedeuten. Die Metalltemperatur T_mn bezeichnet die nominale Temperatur der Welle und/oder einer anderen mechanischen Komponente beim stationären Betrieb der Maschine. t_Ωn und t_Tn sind dabei die Zeitpunkte, zu denen die stationären Werte Ω_n und T_n erreicht werden.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch ein rotierendes Bauteil (im Beispiel eine Laufschaufel 14), welches mit einem Fuss 16 in einer entsprechenden Aufnahme im Rotor (Welle 12) befestigt ist, bei Stillstand der Maschine (Fig. 3(a)) und unter nominalen stationären Betriebsbedingungen (Fig. 3(b)). Der gezeigte Fuss 16 ist dabei repräsentativ für jede beliebige Fussgeometrie, wie zum Beispiel einen Tannenbaumfuss, einen Schwalbenschwanzfuss oder einen Hammerkopffuss. Er greift mit Fingern 18 in entsprechende seitliche Nuten 17 in der Aufnahme, z.B. im Rotor ein.
Die Zentrifugalkraft bringt einen oder mehrere der Finger 18 des Fusses 16 in Kontakt mit dem Rotor 12 (Fig. 3(b)). Bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit verhinderte ein Federelement 19, dass der Fuss 16 in der Aufnahme bei langsamen Rotationsgeschwindigkeiten klappert. Bei nominaler Rotationsgeschwindigkeit und nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes aller Komponenten der Maschine werden Spiele C_b oder C_v gemäss Fig. 1 erreicht. Die Bezeichnung g_a steht hierbei wiederum für das Toleranzband aus Fertigungs- und Montagetoleranzen und ist hier exemplarisch zwischen Finger 18 und der Rotoraufnahme bei Stillstand der Maschine dargestellt.
Beim Anfahren der Maschine ist die thermische Ausdehnung der Beschaufelung typischerweise sehr viel schneller als die der Gehäuseteile oder der Rotorwelle, die aufgrund ihrer grösseren Masse eine höhere thermische Trägheit haben als die Schaufeln. Das bedeutet, dass das Aufheizen und damit die thermische Ausdehnung der Welle oder anderer Strukturteile fortdauert, selbst nachdem das Arbeitsmittel bereits die nominale Betriebstemperatur T_n erreicht hat (Zeitpunkt t_Tn in Fig. 2(c)). Dieser Umstand führt zum Auftreten eines sogenannten "pinchpoints", d.h. eines Zeitpunktes während der Aufwärmphase, bei dem das radiale Spiel seinen Minimalwert erreicht (siehe Fig. 2(a)). Aus diesem Grunde muss für die nominale stationäre Betriebsbedingung das resultierende minimalen Spiel C_b,min (oder C_v,min) ein Sicherheitsspiel C_s beinhalten sowie einen minimalen transienten Beitrag zum Spalt, g_t,min. Dieser muss bei der Auslegung der Maschine analytisch bestimmt werden und hängt von den thermischen Randbedingungen, Dimensionen und Materialeigenschaften der rotierenden und stationären Bauteile ab. Die transienten Beiträge zum Spalt, g_t,min und g_t,max, verhindern, dass die Schaufelspitzen am stationären Gehäuse oder stationären Hitzeschilden bzw. am Rotor oder den Rotor-Hitzeschilden reiben.
Unter der nominalen stationären Betriebsbedingung, wenn alle rotierenden und stationären Teile ihre maximalen thermischen und mechanischen Verformungen erreicht haben, ist der transiente Beitrag zum "pinch-point"-Spalt (g_t) ein wesentlicher Teil des Spiels im "heissen" stationären Zustand, C_b,min (oder c_v,min).

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist nun eine Aufgabe der Erfindung, eine Turbomaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Spiel zwischen rotierenden und stationären Teilen für die verschiedenen Betriebszustände auf einfache Weise optimiert wird.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht aus von einer mit erhöhter Betriebstemperatur arbeitenden Turbomaschine mit stationären und rotierenden Komponenten, zwischen denen zur Vermeidung eines reibenden Kontaktes ein Spiel vorgesehen ist, das im Stillstand der Maschine einen ersten Wert und im stationären Betrieb der Maschine einen zweiten Wert einnimmt, und das in einer transienten Betriebsphase zwischen Stillstand und stationärem Betrieb aufgrund unterschiedlicher zeitlicher Verläufe der Rotationsgeschwindigkeit und der thermischen Ausdehnung unterschiedlicher Komponenten eine einen Extremwert aufweisende Kurve durchläuft. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass kompensierende Mittel mit einem nicht-linearen Kompensationsmechanismus zum Abbau bzw. Ausgleich des Extremwertes in der transienten Betriebsphase vorgesehen werden.
Das der Anmeldung zugrunde liegende Problem des Auftretens eines Extremwertes im Spiel in einer betrieblichen Übergangsphase der Maschine wird dadurch gelöst, dass die vorgesehenen kompensierenden Mittel nicht am Anfang oder Ende des Übergangs ihre maximale Auslenkung aufweisen, sondern im Übergangsbereich selbst, und zwar dort, wo der Extremwert des Spieles auftritt. Dazu wird ein nicht-linearer Kompensationsmechanismus in den kompensierenden Mitteln eingesetzt, der beispielsweise aus zwei gegenläufigen Bewegungen überlagert ist.
Eine Ausgestaltung der Turbomaschine nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die kompensierenden Mittel eine Selbstjustiervorrichtung umfassen, welche in Abhängigkeit von äusseren Parametern das Spiel vergrössert oder verkleinert.
Insbesondere ändert die Selbstjustiervorrichtung zur Vergrösserung oder Verkleinerung des Spiels seine Form.
Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Selbstjustiervorrichtung eine vorgegebene Höhe aufweist, und dass die Selbstjustiervorrichtung zur Vergrösserung oder Verkleinerung des Spiels seine Höhe ändert.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung das Spiel in Abhängigkeit von ihrer Temperatur vergrössert oder verkleinert.
Insbesondere weist die Selbstjustiervorrichtung in ihrem Temperaturverhalten eine Hysterese auf.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung enthält die Selbstjustiervorrichtung ein Bimetall.
Ebenso ist es denkbar, dass die Selbstjustiervorrichtung eine Formgedächtnislegierung enthält.
Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden Komponenten Laufschaufeln sind, und dass das zu beeinflussende Spiel zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem gegenüberliegenden stationären Gehäuse besteht.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die stationären Komponenten Leitschaufeln sind, und dass das zu beeinflussende Spiel zwischen den Spitzen der Leitschaufeln und dem gegenüberliegenden Rotor besteht.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln jeweils mit einem Schaufelfuss in einer Aufnahme im Rotor sitzen und sich mit Abstützmitteln gegen angreifende Zentrifugalkräfte am Rotor abstützen, und dass die Selbstjustiervorrichtung zwischen den Abstützmitteln und den Rotor angeordnet ist.
Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung ihre Höhe in radialer Richtung temperaturgesteuert zwischen einem ersten Wert und einen zweiten Wert verändert, und dass die Differenz der beiden Werte zum Extremwert der Kurve des Spiels korrespondiert.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung das mechanische Spiel zwischen rotierenden und stationären Teilen in einer Turbomaschine der üblichen Art nach dem Stand der Technik;
Fig. 2: in mehreren Teilfiguren die zeitliche Abhängigkeit des Spiels bei einer Turbomaschine bei Durchlaufen eines transienten Startvorgangs bis zum Erreichen eines stationären Betriebszustands (Fig. 2(a)) sowie die zugehörige zeitliche Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit (Fig. 2(b)) und der Heissgas- und Metalltemperatur (Fig. 2(c));
Fig. 3: in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung die Verankerung eines rotierenden Teils (Laufschaufel) im Rotor bei Stillstand (Fig. 3(a) und unter nominalen stationären Betriebsbedingungen (Fig. 3(b);
Fig. 4: in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung ein selbstjustierendes System zur Steuerung des Spiels bei einer Verankerung gemäss Fig. 3 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5: ein Beispiel für die thermo-mechanische Hysterese eines selbstjustierenden Systems gemäss der Erfindung;
Fig. 6: in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung ein selbstjustierendes System gemäss Fig. 4 bei nominaler Rotationsgeschwindigkeit und
Fig. 7: die zeitliche Abhängigkeit des Spiels bei einer Turbomaschine mit einem selbstjustierenden System gemäss Fig. 4 und 6.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Anwendung einer Selbstjustiervorrichtung, die ein Bimetall-Element und/oder Formgedächtnislegierungs-Element und/oder ein Element aus einem anderen Material umfasst, welches in einer elastischen, super-elastischen oder pseudo-elastischen Weise oberhalb eines Grenzwertes von Temperatur, Druck oder mechanischer Belastung seiner Form verändert, welches aktiv oder passiv aktiviert wird, und welches in einer Turbomaschine angeordnet ist, um die Spiele während des Betriebes und unter verschiedenen Betriebszuständen zu minimieren. Die Selbstjustiervorrichtung kann dabei in einer Baueinheit einer Turbine, einer Verdichterschaufel, einen Stator- oder Rotor-Hitzeschild, einem Leitschaufelträger oder anderen rotierenden oder stationären Bauteilen untergebracht sein, die am Rotor oder am Gehäuse angebaut sind.
Als Beispiel für den Einsatz der Erfindung wird nachfolgend die Befestigung einer Laufschaufel am Rotor einer Turbine exemplarisch beschrieben. Fig. 4 zeigt eine Selbstjustiervorrichtung 20, die zwischen dem Finger 18 eines Schaufelfusses 16 und der zugehörigen Nut 17 im Rotor 12 angeordnet ist. Die Deformationen der Selbstjustiervorrichtung 20 können charakterisiert werden als

a. durch einen äusseren 2-Wege-Effekt bewirkt, der durch eine einwirkende äussere Kraft wie zum Beispiel die Zentrifugalkraft initiiert wird und/oder
b. durch einen internen 2-Wege-Effekt bewirkt, wie bei einer Formgedächtnislegierung, bei der keine externe Kraft benötigt wird, um die gewünschte Deformation des Systems zu aktivieren.

Die Form der Selbstjustiervorrichtung 20 kann weitgehend beliebig sein und hängt generell vom zur Verfügung stehenden Raum ab. Entscheidend bei der Form ist die Höhe, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Im dort dargestellten Beispiel korrespondiert die Höhe der Selbstjustiervorrichtung 20 unter der Bedingung des Stillstands der Maschine zu der Minimaldifferenz g_t,min (dem transienten Spaltbeitrag), die ohne den Einsatz der Selbstjustiervorrichtung 20 vorliegen würde. Während des Hochfahrens der Maschine werden die Zentrifugalkräfte, die auf die Schaufel wirken, über den Finger 18 durch die Selbstjustiervorrichtung 20 auf die Nut 17 im Rotor 12 übertragen. Diese Kräfte wachsen mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit. Die elastischen Eigenschaften der Selbstjustiervorrichtung 20 bei der Höhe g_t verhindern, dass die Vorrichtung flach gedrückt wird. Als Folge davon bleibt das Spiel an der Schaufelspitze bei gleicher Schaufellänge grösser als ohne die Selbstjustiervorrichtung 20. Eine gewisse Abflachung der Selbstjustiervorrichtung 20 aufgrund der mechanischen Belastung kann jedoch akzeptiert werden.
Mit zunehmender Leistung, vom Leerlauf zur Volllast, erhöht sich die Temperatur in der Maschine. Im Bezug auf die Rotationsgeschwindigkeit benötigt dieser Aufwärmprozess deutlich mehr Zeit (Fig. 2(b),(c)) und die verschiedenen Teile der Maschine erreichen die stationäre Temperatur T_n zu verschiedenen Zeitpunkten. Typischerweise ist das beim Aufwärmen "langsamste" Bauteil der Rotor. Mit ansteigender Temperatur des Schaufelfusses 16 und des Rotors 12 nimmt aufgrund der Wärmeleitung an den Kontaktflächen und konvektiver Wärmeübertragung durch irgendwelche Heissgasströmungen um den Schaufelfuss 16 herum auch die Temperatur der Selbstjustiervorrichtung 20 zu.
Das Material der Selbstjustiervorrichtung 20 ist so konditioniert (trainiert), dass sich seine mechanischen Eigenschaften als Funktion seiner Temperatur T in Einklang mit einem Hysterese-Verhalten verändern, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Bei Stillstand und Umgebungstemperatur ist die Selbstjustiervorrichtung 20 aus ihrem flachen Zustand heraus maximal deformiert durch eine Dehnung ε_t mit εt=σ_t/E, die zum transienten Spaltbeitrag g_t korrespondiert (Fig. 4). Mit zunehmender Temperatur T verändert die Selbstjustiervorrichtung 20 ihre Steifigkeit in Einklang mit der antrainierten Hysterese und wird gemäss Fig. 6 vollständig flach, wenn die vorbestimmte Temperatur T_n erreicht wird. Während des Abschaltens der Maschine folgen die thermo-mechanischen Eigenschaften der Selbstjustiervorrichtung 20 der oberen Kurve der vorprogrammierten Hysterese (siehe Pfeile in Fig. 5).
Wenn der Selbstjustiervorrichtung 20 die korrekte Höhe (g_t) gegeben wird und sie zu dem erforderlichen elastischen oder super-elastischen oder pseudo-elastischen Verhalten und thermischer Hysterese gebracht wird, das zur zentrifugalen Belastung und dem Aufwärmen und Abkühlen der benachbarten Bauteile passt, ist es möglich, das Auftreten eines transienten "pinch-point"-Spiels zu minimieren oder sogar vollständig zu vermeiden. Als Folge davon nimmt das Spiel im stationären heissen Zustand seinen kleinsten möglichen Minimalwert ein unter Berücksichtigung des minimalen erforderlichen Sicherheitsspiels. Im Idealfall kann die Länge der Schaufel für den Fall ohne Selbstjustiervorrichtung 20 um den Betrag g_t erhöht werden, so dass das minimale resultierende Spiel C_β,o,min gleich C_s ist (siehe Fig. 2(a) und Fig. 7).
Fig. 7 zeigt (im Vergleich zu Fig. 2(a)) die zeitliche Veränderung des Spiels an der Spitze einer Laufschaufel mit eingebauter Selbstjustiervorrichtung 20 (Kurven a). Die Kurve C_β(t)_{min red} demonstriert die Möglichkeit, die das Spiel im kalten gebauten Zustand und im warmen Zustand zu reduzieren, indem das Spiel g_t,min eliminiert wird.
Wenn man bedenkt, dass die gleichen Prinzipien auch auf die radiale Bewegung des Stator-Hitzeschildes gegenüber einer Laufschaufelspitze angewendet werden können, hat der Konstrukteur der Maschine grosse Freiheiten, um die Spiele während transienter und stationärer Betriebszuständen einzustellen und zu steuern.
Wenn man weiterhin bedenkt, dass auch die Möglichkeit besteht, die Kühlluft- und Leckluft-Ströme durch den Rotor und um die Rotor- und Statorteile herum zu beeinflussen, ist es auch möglich, das Verhalten der Selbstjustiervorrichtung 20 aktiv zu steuern.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind verschiedene Formgedächtnislegierungen, Bimetalle und/oder andere Materialien mit einem vergleichbaren Verhalten betrachtet worden. Ihre Herstellung und ihr Einbau in ein Bauteil sind nicht detailliert erörtert worden, da sie dem Fachmann auf dem Gebiet der Formgedächtnislegierungen und Bimetalle bekannt sind. So könnte beispielsweise eine NiTi- basierte Formgedächtnislegierung im Bereich des heissen Schaufelfusses in Betracht gezogen werden, deren zulässige Arbeitstemperatur bis hinauf zu 200 °C reicht, wenn eine Kühlung mit Sekundärluft in einer Gasturbine zur Verfügung steht. Ternäre Hochtemperatur-NiTiX-Legierungen und andere, die als Element X Hafnium Hf, Palladium Pd und/oder Platin Pt enthalten, erweitern den Arbeitstemperaturbereich bis hinauf zu 800 °C und mehr. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch andere Materialien/Legierungen Anwendung finden, sofern die die gewünschten und erforderlichen Eigenschaften aufweisen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10: Turbomaschine
11: Gehäuse
12: Welle (Rotor)
13: Achse
14: Laufschaufel
15: Leitschaufel
16: Fuss (Schaufelfuss)
17: Nut
18: Finger
19: Federelement
20: Selbstjustiervorrichtung
C: Spiel
C_b: Laufschaufelspiel
C_s: Sicherheitsspiel
C_v: Leitschaufelspiel
C_β,o,max: Maximalspiel (kalt)
C_β,o,min: Minimalspiel (kalt)
C_β,max: Maximalspiel (heiss)
C_β,min: Minimalspiel (heiss)
C_β(t)_min: Kurve für Minimalspielverlauf
C_β(t)_max: Kurve für Maximalspielverlauf
C_β(t)_{min red}: Kurve für Minimalspielverlauf mit Selbstjustiervorrichtung 20
g_a: Toleranzband
g_t: transienter Spaltbeitrag
g_t,max: Maximaldifferenz (transienter Spaltbeitrag)
g_t,min: Minimaldifferenz (transienter Spaltbeitrag)
Ω: Rotationsgeschwindigkeit
Ω_n: Rotationsgeschwindigkeit (nominal)
st: stationäre Betriebsphase
tr: transiente Betriebsphase
T_n: Heissgastemperatur (nominal)
T_mn: Metalltemperatur (nominal)
t: Zeit
T: Temperatur
ε: Dehnung
σ: Spannung
E: Elastizitätsmodul

Claims

Turbomaschine (10), welche mit erhöhter Betriebstemperatur arbeitet, mit stationären und rotierenden Komponenten (11, 15 bzw. 12, 14), zwischen denen zur Vermeidung eines reibenden Kontaktes ein Spiel (C) vorgesehen ist, das im Stillstand der Maschine einen ersten Wert (C_β,omin; C_β,omax) und im stationären Betrieb (st) der Maschine einen zweiten Wert (C_β,min; C_β,max) einnimmt, und das in einer transienten Betriebsphase (tr) zwischen Stillstand und stationärem Betrieb (st) aufgrund unterschiedlicher zeitlicher Verläufe der Rotationsgeschwindigkeit und der thermischen Ausdehnung unterschiedlicher Komponenten eine einen Extremwert ("pinch-point"; g_t) aufweisende Kurve durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass kompensierende Mittel (20) mit einem nicht-linearen Kompensationsmechanismus zum Abbau bzw. Ausgleich des Extremwertes in der transienten Betriebsphase (tr) vorgesehen werden.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kompensierenden Mittel eine Selbstjustiervorrichtung (20) umfassen, welche in Abhängigkeit von äusseren Parametern das Spiel (C) vergrössert oder verkleinert.
Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) zur Vergrösserung oder Verkleinerung des Spiels (C) seine Form ändert.
Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) eine vorgegebene Höhe aufweist, und dass die Selbstjustiervorrichtung (20) zur Vergrösserung oder Verkleinerung des Spiels (C) seine Höhe ändert.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) das Spiel (C) in Abhängigkeit von ihrer Temperatur vergrössert oder verkleinert.
Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) in ihrem Temperaturverhalten eine Hysterese aufweist.
Turbomaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) ein Bimetall enthält.
Turbomaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) eine Formgedächtnislegierung enthält.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden Komponenten Laufschaufeln (14) sind, und dass das zu beeinflussende Spiel (C_b) zwischen den Spitzen der Laufschaufeln (14) und dem gegenüberliegenden stationären Gehäuse (11) besteht.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die stationären Komponenten Leitschaufeln (15) sind, und dass das zu beeinflussende Spiel (C_v) zwischen den Spitzen der Leitschaufeln (15) und dem gegenüberliegenden Rotor (12) besteht.
Turbomaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (14) jeweils mit einem Schaufelfuss (16) in einer Aufnahme im Rotor (12) sitzen und sich mit Abstützmitteln (18) gegen angreifende Zentrifugalkräfte am Rotor (17) abstützen, und dass die Selbstjustiervorrichtung (20) zwischen den Abstützmitteln (18) und den Rotor (12, 17) angeordnet ist.
Turbomaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) ihre Höhe in radialer Richtung temperaturgesteuert zwischen einem ersten Wert und einen zweiten Wert verändert, und dass die Differenz der beiden Werte zum Extremwert (g_t) der Kurve des Spiels (C) korrespondiert.