WO2002081869A1 - Rotorspalt-steuermodul - Google Patents

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WO2002081869A1
WO2002081869A1 PCT/DE2002/001223 DE0201223W WO02081869A1 WO 2002081869 A1 WO2002081869 A1 WO 2002081869A1 DE 0201223 W DE0201223 W DE 0201223W WO 02081869 A1 WO02081869 A1 WO 02081869A1
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WO
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rotor
control module
rotor gap
gap control
module according
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/001223
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Schulte
Gerd Fritsch
Howard Hodson
Robert Howell
Original Assignee
Mtu Aero Engines Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to DE50207496T priority Critical patent/DE50207496D1/de
Priority to EP02729850A priority patent/EP1373686B1/de
Priority to CA002442749A priority patent/CA2442749A1/en
Priority to JP2002579619A priority patent/JP4156930B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/22—Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/40—Use of a multiplicity of similar components

Definitions

  • the invention relates to a Rotorbiatt control module for installation in a turbomachine through which a flow flows in a main flow direction and which has a rotatable rotor with rotor blades which are spaced apart from one another in the direction of rotation of the rotor and a housing which at least partially surrounds the rotor while forming a rotor gap
  • the rotor gap Control module comprises at least one sealing element, which delimits the rotor gap in sections and can be inserted into the rotor gap, and an actuator unit which moves the sealing element during operation.
  • the rotor gap between the stationary rotor housing and the rotating rotor is a source of flow losses and thus a cause for reduced efficiency.
  • the flow losses arise on the one hand from eddy formation and flow separation in or at the rotor gap , which also leads to increased flow noise, on the other hand by a compensating flow, which is directed against the main flow direction through the rotor and limits the achievable pressure difference between the high-pressure side and the low-pressure side of the turbomachine.
  • a rotor gap would not exist in an ideal lossless turbomachine. In practice, however, this is not possible, since in this case the tips of the rotor blades touch the housing and, when the rotor rotates, would rub against the housing and thus wear out.
  • This problem is particularly pronounced in turbomachines in which the rotors rotate at high speed and / or are subjected to high temperatures, for example in aircraft engines and gas turbines and in exhaust gas turbochargers.
  • the rotor blade lengthens depending on the temperature and the speed.
  • the housing expands depending on the operating temperature. The expansion of the housing and the elongation of the rotor blades are compensated for by the rotor gap without the flow machine being damaged.
  • the width of the rotor gap and thus the losses of the turbomachine consequently change depending on the speed and the temperature in the operating state that has just been run through.
  • the rotor gap is generally set so that the smallest possible rotor gap is present at a continuous operating point at which the turbomachine is usually operated. In the case of aircraft engines or exhaust gas turbochargers, this continuous operating point is, for example, the cruising speed.
  • limit load ranges and start-up ranges of the turbomachine are taken into account in practice:
  • the rotor gap should be dimensioned so that damage to the rotor blade and housing is avoided even under extreme conditions with acceptable flow losses.
  • No. 5,092,737 describes a device by means of which the wear in the start-up phase of a gas turbine, in which the housing and the rotor heat up to different degrees, is reduced by changing the rotor gap width.
  • the device described there changes the rotor gap passively via the thermal expansion of control elements in the housing wall of the gas turbine opposite the rotor.
  • the thermal expansion coefficients of the control elements are adapted to the operating states of the gas turbine in such a way that the expansion of the housing corresponds to the thermal expansion of the rotor blades at different operating temperatures.
  • the response time and also the possibilities for influencing the width of the motor gap are improved in the case of active systems in which the rotor gap is actively changed by actuator units, compared to the passive systems.
  • housing segments are used opposite the rotor blades in the system of US Pat. No. 5,104,287 and US Pat. No. 5,096,375.
  • the housing segments are joined to form a ring and are moved radially in the direction of the rotor blades by means of threaded pins, so that the ring contracts or widens when the threaded pins rotate.
  • the grub screws of all housing segments are actuated together via a synchronization ring and thus enable a common and simultaneous adjustment of the housing segments and thus an adjustment of the rotor gap.
  • Disadvantages of this device are, firstly, the enormous constructional and manufacturing expenditure that is necessary when the aim is to adjust the segments in the range of a few tenths of a millimeter with almost no play, and secondly the still slow response time.
  • No. 5,263,816 describes a device for controlling the rotor gap for a radial compressor, in which the rotor gap takes place via a displacement of the rotor relative to the housing in the axial direction. This principle is also structurally very complex and has a moderately fast response. In addition, the system of US Pat. No. 5,263,816 is limited to radial flow machines.
  • US Pat. No. 5,545,007 describes a ring made of housing segments opposite the rotor blades, which can be contracted and expanded by piezoelectric elements. Proximity sensors determine the width of the rotor gap between the rotor blade tips and housing segments and that between the segment ring. The stationary plezo elements arranged on a housing-side holder are then subjected to a voltage as a function of the measured rotor gap, so that the segments of the ring are moved in the direction of or in the direction away from the rotor blades due to the electrical restriction of the piezo elements.
  • the disadvantage of the system of US 5,545,007 Hegen in the lack of stability of the segment, because this is held exclusively by the piezoelectric elements.
  • No. 4,247,247 shows an axial flow turbine in which the housing has a ring with a thin, flexible wall in relation to the rotors. Annular pressure chambers are arranged behind the thin wall, which can be subjected to different pressures. If the pressure in the pressure chambers exceeds the pressure in the axial flow turbine, the wall bulges in a controlled manner and reduces the rotor gap. The pressure chambers are pressurized so that the rotor gap is reduced in the direction of flow.
  • the housing wall In the gas turbine of US 4,683,716, the housing wall, together with several rows of stator blades, is pneumatically adjusted over several compressor stages.
  • a pressure chamber is provided behind the housing wall, which extends over several rows of rotors and stators. Feeding low pressure or high pressure into the pressure chamber prevents the rotor blades from rubbing against the housing wall during start-up processes.
  • the device of US Pat. No. 5,781,333 also has housing segments which are moved in the direction of the rotor blades by applying compressed air to pressure chambers.
  • the pressure chamber is equipped with ventilation valves for quick pressure equalization.
  • US Pat. No. 6,142,477 describes an active sealing device which is used for sealing bearings in gas turbines.
  • the active sealing device has sealing elements which arrange themselves close to a washer, without being in contact with the washer to come when the washer rotates.
  • the sealing surface is designed as a magnetic ring which has alternating, differently polarized areas in the circumferential direction. When the magnetic ring rotates, these areas generate a magnetic flux, the strength of which depends on the speed of rotation of the magnetic ring.
  • the sealing elements are provided with coils which react to the strength of the magnetic field generated by the rotating ring and, depending on the speed of rotation and the distance of the magnetic ring, from the coils which automatically move to or away from the magnetic ring.
  • the invention is therefore based on the object of improving the rotor gap control module mentioned at the outset in such a way that a faster response is achieved.
  • the dimensions of the sealing element according to the invention mean that the moved masses of the sealing element smaller and can be moved much faster.
  • the solution according to the invention provides that the dimensions of the sealing element in the direction of rotation are significantly smaller than the distance between two successive rotor blades.
  • the sealing elements are preferably so large that a large number of sealing elements fit into the distance between two successive rotor blades.
  • a further acceleration of the response behavior can be achieved in that, in a further preferred embodiment, the dimensions of the sealing element in the main flow direction correspond at most to the depth of a rotor blade in the main flow direction. This measure reduces the moving masses again.
  • the sealing elements are preferably dimensioned such that a plurality of sealing elements can be arranged in a staggered manner over a depth of the display, that is to say in the sealing direction. Since most rotors have the greatest pressure jump in the main flow direction, the sealing direction corresponds in most cases to the main flow direction.
  • sealing elements can be controlled as individually as possible, that is, as few sealing elements as possible are assigned to one actuator unit.
  • the rotor gap control module should be easy to replace without having to disassemble the entire turbomachine. This is fulfilled if, in an advantageous development of the invention, the dimension of the rotor gap control module in the direction of rotation of the rotor is smaller than the distance between two successive rotor blades. Compact installation dimensions are also achieved if the dimension of the rotor gap control module in the main flow direction corresponds at most to the viewing depth of the rotor blade in the main flow direction.
  • a principle of the present invention is, in contrast to the conventional rotor gap control modules, to provide the largest possible number of sealing elements in the rotor gap. Due to the large number of sealing elements in the rotor gap, a good sealing of the rotor gap occurs due to the overall effect of all sealing elements. This eliminates the need to seal gaps and gaps between the sealing elements.
  • the sealing elements can be arranged at a distance from one another. In this case, however, a plurality of sealing elements can also be provided with a common enveloping body which is arranged between the sealing elements and the rotor and is movable together with the sealing elements.
  • the enveloping body can be made from a material with special mechanical properties, for example from an abrasion-resistant, high-temperature-resistant and / or largely friction-free material, in order to protect the sealing elements.
  • the sealing elements can in particular be spaced apart from one another without losses in the sealing action if they are staggered and arranged to overlap in the main flow direction.
  • the sealing elements can be arranged in several rows in the main flow direction.
  • the gaps between sealing elements in one row are closed by the sealing elements in the other row.
  • the sealing effect in this arrangement is based on the creation of a “labyrinth” between the sealing elements, by means of which the flow resistance in the rotor gap is considerably increased. This enables a sealing effect to be achieved that is similar to that of closed sealing surfaces, as was the case for setting the rotor gap from the prior art are known.
  • the actuator unit is arranged in the rotor gap control module and exerts an operating force acting on the sealing element during operation.
  • the actuator unit generates the actuating force during operation under the action of a fluid pressure that differs from the fluid pressure in the region of the rotor of the turbomachine.
  • this fluid pressure can be introduced into an actuator chamber which is connected to the sealing element in a force-transmitting manner.
  • the actuator may further comprise at least one connected to a Studentstownquell ⁇ pressure chamber and / or connected to a source of vacuum pressure chamber to the actuator chamber without long way immediately corresponding adjusting pressures for the one or more of the actuator chamber associated 'sealing element or Dichteiemente be forwarded.
  • Separate means for generating the negative pressure and the positive pressure such as pumps, can advantageously be dispensed with if the positive pressure chamber is connected to a high pressure area of the turbomachine as the positive pressure source and the negative pressure chamber is connected to a leather pressure area of the turbomachine as the negative pressure source.
  • negative pressure and "positive pressure” refer to the pressure prevailing in the area of the rotor.
  • the overpressure chamber can be at least partially surrounded by the underpressure chamber. Since there is always a hot trough in the overpressure chamber than in the underpressure chamber, this arrangement prevents the rotor gap control module from overheating.
  • the actuator unit can have at least one valve which is assigned between the actuator chamber and the underpressure chamber and / or overpressure chamber. If the valve is opened, either the pressure of the vacuum chamber and / or the pressure chamber acts on the actuator chamber and leads to a corresponding actuation of the sealing element.
  • the sealing element has an elastic membrane as the sealing surface, which protrudes into the rotor gap in a bulging, bubble-shaped state and seals it at least in sections.
  • the sealing elements form individual bubbles, which bulge out to reduce the rotor gap and flatten out for enlargement. This configuration enables a large stroke of the sealing elements, that is to say the sealing of large gap dimensions, without large adjustment forces.
  • the membrane is in operative connection with the actuator chamber in such a way that the pressure prevailing in the actuator chamber acts on the membrane.
  • a pressure line can lead from the actuator chamber to the membrane, or the actuator chamber can be delimited at least in sections by the membrane.
  • the membrane of the sealing element bulges forward and forms a bubble protruding into the rotor gap.
  • a negative pressure i.e. H. a lower pressure than in the rotor gap
  • the membrane contracts due to its inherent elasticity, the bladder becomes smaller and the rotor gap increases.
  • the rotor gap control module can also have an energy source in the form of a means for generating electricity, with which electrical energy is provided for operating the rotor gap control module.
  • This energy source can preferably be designed in the form of a microturbine arranged between the vacuum chamber and the pressure chamber.
  • a sensor unit may be provided with at least one 'gap measuring sensor and a signal output interface provided in a further advantageous embodiment, in the rotor gap control module.
  • the size of the rotor gap is measured in the vicinity of the sealing element, that is to say in the immediate vicinity of the point at which the rotor gap is changed.
  • a signal representative of the size of the rotor gap can be generated by the gap measurement sensor and can be output by the sensor unit via the signal output interface.
  • the rotor gap control module can have a position detection sensor, by means of which the position of the sealing element in the rotor gap or relative to the counter sealing surface formed by the rotor blade tips can be determined and output in the form of a signal via the output interface.
  • the rotor gap control device has at least one pressure sensor, by means of which the pressure in the actuator chamber and / or the fluid pressure in the rotor area in the turbomachine and / or the pressure difference between these two pressures can be detected and output as a signal via the signal output interface.
  • the rotor gap control module can have a control unit with an input interface, an output interface and a data processing unit according to a further advantageous embodiment.
  • the input interface of the control unit is connected to the output interface of the sensor unit for data transmission, so that the signals of the sensors of the sensor unit can be received by the control unit.
  • the output interface of the control unit is connected to the input interface of the actuator unit for data transmission, so that the results of an evaluation of the data from the sensors of the sensor unit can be output to the actuator unit in the form of an actuation signal for the sealing element.
  • the data processing unit processes the data output via the output interface as a function of the data received via the input interface and generates a signal for actuating the actuator unit or the sealing elements.
  • All data lines can advantageously be constructed in the form of a unidirectional or bidirectional data bus.
  • control unit can have a data bus via which it is connected in a data-transmitting manner to control units of further rotor gap modules.
  • This data bus can be, for example, the same data bus that also connects the output interface of the sensor unit and the input interface of the actuator unit to the control unit.
  • the rotor blade control module is designed as a microstructure system, into the sealing element and Actuator unit are integrated.
  • a microstructure system is preferably constructed in one piece from a silicon-containing material and consists of several functional layers. Examples of suitable materials are silicon, silicon carbide, silicon dioxide and silicon nitride.
  • Microstructure systems are produced by photolithographic processes such as LIGA, by bulk micromachining and surface micromachining, thin-film deposition (chemical vapor deposition) and etching from wafers.
  • a membrane serving as a sealing element can be made from a thin film of silicon-containing material, for example silicon carbide. If the membrane is extremely thin, silicon carbide has sufficient elasticity.
  • the microvalves can also be made of a silicon-containing material and integrated into the microstructure system.
  • the control unit and / or the sensor unit are also advantageously integrated into the microsystem element.
  • this preferably has a standardized housing which is provided with standardized connections for data and pressure lines.
  • the housing can be surrounded by isoller material for protection against overheating and / or vibrations and shocks.
  • a plurality of rotor gap modules is arranged in the area of the rotor gap in a turbomachine with a rotor and a housing surrounding the rotor, forming a rotor gap, the rotor rotating relative to the housing during operation.
  • These rotor gap modules can be connected to one another by a signal line, so that they are actuated synchronously.
  • several rotor gap control modules can be networked in such a way that a rotor gap control module that follows in the circumferential direction uses the sensor signals of a rotor gap control module lying in front of it in the direction of rotation to control its own sealing elements.
  • the sensors of the rotor gap control module can be used to check the function of the turbomachine, since the modules measure important operating parameters of the turbomachine, for example the pressure in the rotor area.
  • the rotor gap control module is provided with a further sensor which, as a vibration sensor, detects the vibrations of the passing rotor blade tips and outputs a signal which is representative of the frequency and / or amplitude of the vibrations of the rotor blade tips or the rotor blades.
  • the sensor can be an optical measuring element and / or a capacitive
  • the senor can work on an ultrasound basis and have an ultrasound transducer.
  • the ultrasound transducer can emit ultrasound waves directed at the rotor blades and / or the rotor blade tips and measure their reflections.
  • the raw data from the measurements of the vibration sensor are stored on an integrated memory chip.
  • this memory chip can be formed in one piece with the rotor gap control module and / or can be integrated, for example, into the control unit.
  • the raw data can be transmitted via the data bus of the rotor gap control module in real time or, for example, after use of the turbomachine to an evaluation unit.
  • the data bus can be designed as a radio link so that the data is output without contact.
  • a radio transmitter and, in the case of a bidirectional data bus, a radio receiver can also be provided in the rotor gap control module.
  • the transmission of operating parameters of the rotor gap control module over a radio link enables simple control and evaluation of the data of the rotor gap control module.
  • the vibration sensor together with the data transmission units of the data bus can be supplied with energy from the same energy source as the other units of the rotor gap control module.
  • the vibration sensors can also be used to monitor components other than the rotor blades.
  • the vibrations of shafts, stator blades and housing elements, and possibly also the vibrations of the sealing elements themselves, can be detected by the vibration sensors.
  • the rotor gap control modules surround the rotor in a ring shape and form a sealing element field, in each of which a plurality of sealing elements is assigned to a distance between two rotor blades.
  • an enveloping body In order to protect the sealing elements, an enveloping body can be provided, which is arranged between the rotor gap module and the rotor and is assigned to a plurality of rotor gap modules.
  • the enveloping body is coupled to the movement of the sealing elements and protects them from damage by their position between the sealing elements and the rotor.
  • the enveloping body can in particular be designed as an abrasion-resistant membrane.
  • the invention also relates to a method for controlling the rotor gap, with which a response behavior which is substantially improved compared to the prior art is achieved.
  • the rotor gap control modules according to the invention can also be used as sealing modules with essentially continuous counter-sealing surfaces, such as, for example, for sealing shafts. Due to the possibility of active adjustment of the sealing gap or the contact pressure against the counter surface and the fast Response behavior, vibrations and eccentricities of the shaft can be compensated for without having to accept losses in the fragrance effect.
  • FIG. 1 shows an aircraft engine as an example of a turbomachine through which a main flow direction flows and in which the rotor gap control module according to the invention is used;
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a rotor gap control module according to the invention in a section transverse to the main flow direction along the line ⁇ - ⁇ of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the rotor gap control module of FIG. 2 in a section along the line ⁇ i-i ⁇ of FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a rotor gap control module according to the invention in a view corresponding to FIG. 3;
  • Flg. 5 shows a third exemplary embodiment of a rotor gap control module according to the invention in a view corresponding to FIG. 3;
  • FIG. 6 shows a fourth exemplary embodiment of a rotor gap control module according to the invention as a shaft sealing module.
  • a rotor gap control module according to the invention as a shaft sealing module.
  • turbomachine 1 shows an aircraft engine 1 as an example of a turbomachine in which the rotor gap control modules according to the invention are used.
  • Other examples of turbomachines are radial or axial blowers, turbochargers, gas turbines, pumps and compressors.
  • a gaseous or liquid fluid flows through all of these flow machines in a main flow direction H.
  • the main flow direction H runs essentially in the axial direction A.
  • a turbomachine as complex as the aircraft engine shown in FIG. 1 has a series of rotors R, each of which is surrounded by a housing G to form a rotor gap S.
  • the rotor gap control modules according to the invention can be arranged at the hatched positions 2, 3 in FIG. 1.
  • the locations with the reference cell 2 correspond to a housing-side arrangement of a rotor gap module, those with the reference cell 3 correspond to a rotor-sensitive arrangement of a rotor gap module.
  • FIG. 2 the cross section along the line H- ⁇ of Fig. 1 is shown schematically. This cross section lies in the area of a rotor disk R v , which represents a compressor stage in front of a combustion chamber B of the aircraft engine.
  • the rotor R v of the compressor stage has rotor blades 5 which are arranged at a predetermined distance T from one another.
  • the rotor blades rotate in the direction of rotation D.
  • the rotor blades 5 are surrounded by a ring of rotor gap control modules 6.
  • the rotor gap control module is shown enlarged in FIG. 2, as in the remaining figures, because of the clearer representation compared to the rotor and the rotor gap.
  • Typical sizes for the dimensions of the rotor gap control module are between 0.5 and 50 mm, preferably around 10 to 20 mm.
  • the rotor gap control module 6 has a housing 7 which surrounds the rotor gap control module 6 on all sides except for the side facing the rotor blades 5.
  • the housing 7 is constructed from a heat-insulating and preferably also vibration-isolating material. Through the housing 7, the rotor gap control module can be handled as an autonomous unit. In order to be able to easily and mechanically replace the rotor gap control module 6 mechanically and electrically with other modules in the event of maintenance, all connections to the housing 7 are of standardized design.
  • the part of the rotor gap control module surrounded by the housing 7 is made of a microstructure system made of silicon or a silicon compound, such as silicon nitride or silicon carbide. Conventional methods of microstructure technology, such as LIGA, micromachining, etching processes, etc. can be used for the production.
  • the rotor blade control module 6 has sealing elements 8 which are designed such that they protrude into the rotor gap S in an operating position.
  • the sealing elements 8 are significantly smaller in the direction of rotation D of the rotor 5 than the distance T between two rotor blades.
  • the sealing elements 8 are formed from a thin membrane made of silicon or a silicon-containing material, such as silicon carbide, and are each connected to an actuator chamber 10 via at least one pressure line 9.
  • the wall thickness of the membrane is dimensioned so that the membrane has a high elasticity.
  • the actuator chambers 10 of the respective sealing element 8 are separated from one another by a wall 11. By assigning as few sealing elements 8 as possible to an actuator chamber 10, the sealing elements 8 can be controlled more precisely.
  • the sealing elements 8 together do not form a continuous sealing surface, which corresponds to the orbit U of the rotor blade tips 12, but rather discrete sealing surfaces, which are spaced apart and interact with the rotor blade tips as counter-sealing surfaces.
  • the sealing elements 8 are staggered in several rows, so that the space 8 between two sealing elements of one row is covered by a sealing element 8 'of another row.
  • the actuator chamber 10 of a respective sealing element 8 is connected to a pressure chamber 14 via a valve 13.
  • the actuator chamber 10, the pressure chamber 14 and the valve 13 are components of a pneumatic, ie compressed air-operated, actuator unit of the rotor gap control module, through which the sealing element 8 is actively adjusted.
  • An active adjustment is understood to mean an adjustment for which energy from outside or from other areas of the turbomachine is used.
  • valves 13 are micro valves that are manufactured in one piece with the rotor gap control module.
  • valves 13 open the connection between a respective actuator chamber 10 and the pressure chamber 14 in response to a signal, so that the pressure prevailing in the pressure chamber 14 spreads in the actuator chamber 10.
  • the pressure chamber 14 is connected via a line 15 to a pressure source to which a pressure P is applied.
  • the housing 7 has a standardized connection element so that a pressure line can be connected to line 15 without special means.
  • the module-shaped character of the rotor gap control module can also be seen in FIG.
  • the rotor gap control module each forms a structural unit that is largely self-sufficient and can be replaced easily and inexpensively by modules of the same type.
  • FIG. 3 shows a section along the line rn-ni of FIG. 2, that is to say a section running in the axial direction A through a rotor gap control module.
  • the dimensions of the sealing elements in the direction of the main flow H are also significantly smaller than the component C of the chord of the rotor blade 5.
  • the sealing elements 8 form a field which, in its entirety, leads to a good seal of the rotor gap S.
  • a rotor blade tip 12 as a counter-sealing surface is assigned a plurality of sealing elements as it rotates.
  • two sealing elements 8 arranged one behind the other in the main flow direction H are connected to an actuator chamber 10.
  • Each of these actuator chambers is connected to the pressure chamber 14 via a microvalve 13.
  • the membranes of the sealing elements 8 are shown in different positions in the rotor gap S in the extended position. These positions do not correspond to an actual operating state, but only serve to illustrate the movement of the sealing elements 8, which is caused by a bubble-like inflation of the elastic membrane.
  • the rows of sealing elements 8 or sealing bladders are arranged in a staggered manner, so that a flow directed through the field of sealing elements 8 encounters a very high flow resistance which justifies the sealing effect of the sealing elements.
  • Several rings can also be used to increase the sealing effect Rotor gap control modules are available. These rings can be shifted in circumferential direction relative to one another, so that the rotor gap control module of one ring covers the gap between two rotor gap control modules of the other ring.
  • the housing 7 forms fastening sections 17 which can be connected to corresponding sections of the housing 18 of the turbomachine.
  • the surface 16 of the rotor gap control element 6 facing the rotor gap S is preferably flush and gap-free with the housing element 18.
  • the rotor gap control module 6 forms an autonomous unit that can make an adjustment of the rotor gap independently of the other rotor gap control modules of the ring around the rotor R v
  • the rotor gap control module 6 is provided with a control unit 19 and a sensor unit 20 which are only shown schematically in FIG. 3.
  • the sensor unit 20 has a pressure sensor (not shown) for detecting the pressure in the rotor gap, a further pressure sensor (not shown) for detecting the pressure in the actuator chamber and a gap measuring sensor (not shown) by means of which the size of the rotor gap S can be measured ,
  • the gap measurement sensor can operate on an optical or capacitive basis, preferably as a contact-free one.
  • a vibration sensor (not shown) is integrated in the sensor unit 20, which detects the vibrations of the rotor blades R and / or the rotor blade tips 5 in an optical, capacitive or acoustic (ultrasound) way.
  • vibration sensors can also be provided for detecting housing vibrations, hub or shaft vibrations and vibrations of the sealing element itself.
  • the sensor unit 20 is provided with an output interface, via which the respective sensors output signals, which are representative of the measured variables that they have detected, via a data line 21.
  • the data line 21 is connected to an input interface of the control unit 19.
  • the control unit 19 processes the data received from the sensor unit 20 and outputs output data via an output interface as a function of the input data and data stored in a memory to an output line 22.
  • the output line 22 is connected to the valves 13 of the actuator unit.
  • the valves 13 open and close in response to a corresponding signal from the output line 22.
  • an internal energy source 22 in the form of a means for generating electricity can be present in the rotor gap control module.
  • Flg. 3 be designed in the form of a coil which generates energy via an externally applied magnetic field.
  • the control unit 20 also has a data bus 23, which is routed to the outside of the housing 7, so that a connection with external control elements and with other rotor gap control modules can take place via the bus.
  • the data lines 21 and 22 and the data bus 23 can also be part of a continuous data bus which connects all components of the rotor blade control module to one another.
  • the energy source, the actuator unit with the microvalves, the control unit 19 and the sensor unit 20 can all be elements of a rotor gap control module constructed as a one-piece microsystem and can be built up essentially simultaneously in a single production step.
  • the data bus can also be designed as a radio transmission link (not shown), in which the data are passed on to a receiving station without contact in the form of electromagnetic waves.
  • a transmission unit is integrated in the control unit.
  • the control unit 20 is provided with a radio receiver.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a rotor gap control module according to the invention in an axial section.
  • the rotor gap control module 6 of FIG. 4 has two pressure chambers 24, 25, the one pressure chamber 24 being an overpressure chamber to which a pressure Pi is applied and the chamber 25 being a vacuum chamber to which a pressure P 2 is applied.
  • the pressure Pi is greater than the pressure P R in the area of the rotor gap.
  • the pressure P 2 is less than the pressure P R. 4
  • the pressure chamber 24 and the vacuum chamber 25 each connected to the actuator chamber 10 with two micro valves 13. The provision of two valves enables rapid pressure compensation between the respective actuator chamber 10 and the underpressure or overpressure chamber 24, 25.
  • the overpressure chamber 24 is connected to a region of the turbomachine in which a higher pressure prevails when the turbomachine is operating than in the region of the rotor gap.
  • the vacuum chamber 25, is connected to a region of the turbomachine which is subjected to a lower pressure than the pressure in the region of the rotor gap during normal operation of the turbomachine.
  • FIG. 4 shows a further possibility of generating energy within the rotor gap control module:
  • the overpressure chamber 24 is connected to the underpressure chamber 25 via a microturbine 30, which can also be implemented using microstructure technology.
  • the microturbine 30 creates a steady compensation flow between the overpressure chamber 24 and the underpressure chamber 25, which drives the microturbine and contributes to the generation of energy for the control unit 19, the sensor unit 20 and the microvalves 13, or provides the energy supply for the rotor gap control module alone.
  • the microturbine 30 can be provided with a magnetic rotor 31, which generates current via a coil 32. This aspect of energy generation is also advantageous regardless of the use of the rotor gap control module 6.
  • the compensating flow through the microturbine 30 is so low that the efficiency of the turbomachine is not affected.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a rotor gap control module according to the invention.
  • the same reference numerals being used for the same components as in the above exemplary embodiments.
  • a first difference between the third exemplary embodiment and the previous exemplary embodiments is that a plurality of sealing elements 8 are each surrounded by an enveloping body 35, which consists of an abrasion-resistant material.
  • the enveloping body 35 protects the sealing elements 8 from contact with the rotor blade tip 12. Irrespective of the enveloping body 35, there is a further difference between the third embodiment and the previous exemplary embodiments.
  • the vacuum chamber 24 surrounds the pressure chamber 25 at least in sections, so that the rotor gap control module does not overheat.
  • the rotor gap control module 6 of FIG. 5 also has no housing 7, but is already constructed as a microstructure block in the corresponding standardized form.
  • the gap sensor of the sensor unit 19 measures the size of the rotor gap between the rotor gap tip 12 and the sealing elements 8 and forwards the measured value via the data line 21 to the control unit 19.
  • the control unit 19 compares this measured value with programmed threshold values and, depending on this comparison, outputs an output signal via the data line 22 to the actuator unit with the microvalves 13.
  • the threshold values can be stored permanently in the control unit 19 or can be updated continuously via the data bus 23 depending on the operating time.
  • the control unit 19 sends signals to the microvalves 13, which connect the vacuum chamber 24 to the actuator chamber 10.
  • the air flows out of the actuator chamber as the pressure in the chamber drops.
  • the membrane of the sealing element 8 contracts, so that the rotor gap S increases.
  • several threshold values can also be stored in the control unit 19, which are used in a further development depending on the operating parameters currently prevailing in the turbomachine for setting the optimal rotor gap for these operating parameters.
  • the sensor unit 20 continuously monitors the pressure in the actuator chamber and the size of the rotor gap. If the control unit 19 compares that the specified rotor gap plate is reached, the opened microvalve 13 is closed again and the pressure in the actuator chamber is kept constant.
  • the control unit 19 opens the microvalves 13, which connect the actuator chamber 10 to the overpressure chamber 25. This increases the pressure in the actuator chamber 10, and the membranes of the sealing elements expand under the influence of pressure and form a sealing bubble. The sealing elements expand in the direction of the rotor gap and narrow the gap. When the measured value of the rotor gap is again within the two threshold values, the open valve is closed again.
  • the upper threshold can be, for example, in the range between 0.3 and 2 mm, the lower threshold in the range between 0.1 and 0.7 mm.
  • An error signal can be output via the control unit 19 by monitoring the pressure in the actuator chamber 10. If the pressure of the actuator chamber 10 always corresponds to the pressure PR in the area of the rotor, there is a leak and the element must be replaced.
  • the rotor gap control module automatically regulates the size of the rotor gap S to an optimal value under different operating conditions.
  • the logic in the control unit 19 is preferably limited to simple comparison arithmetic, so that the control unit has a simple structure and the control algorithms can be executed quickly.
  • This functionality is supplemented by the possibility of monitoring components of the turbomachine using further sensors, such as the vibration sensor.
  • this allows the operating status of the turbomachine to be monitored during operation, in order to warn of component failures in good time, or to indicate that maintenance work is due.
  • This training can also be optimized by evaluating the results of the operation of the turbomachine.
  • rotor gap modules can be cross-linked by data lines, so that a synchronized actuation of several rotor gap control modules is also achieved and the data of a single rotor gap control module can be made available to further modules for refining the control.
  • the simple control logic and the small moving masses of the rotor gap control modules according to the invention enable a response behavior that is in the range of the blade frequency of the rotor, so that it is possible to adapt the rotor gap to individual rotor blades.
  • FIGS. 6 and 7 show another possible application of the rotor gap control modules in one of the above configurations as a shaft sealing module.
  • Fig. 6 shows an axial section through the shaft and the sealing modules.
  • rotor gap control module As with the rotor gap control module, several rows of rotor gap control modules can also be arranged one behind the other when used as a shaft sealing module. The only difference from the rotor gap control module is that the counter sealing surface is essentially continuous in this application.
  • the sealing modules are arranged in a staggered manner, so that one sealing element 8 ′′ in one row falls in the area between two sealing modules 6 in another row.
  • the sealing elements 8 can also directly touch the shaft surface 40.
  • the contact pressure of the sealing elements on the counter surface is regulated in this way by the inflation pressure in the membrane.
  • FIG. 7 shows a shaft sealing module with the structure of the rotor gap control module of FIG. 5 in an axial section along the line VII-YH of FIG. 6.
  • the shaft forms a sealing shoulder 41, on which two rows of sealing modules joined together to form a ring are formed, which are designed analogously to a rotor gap control module.
  • the sealing surface consists of a large number of discrete surfaces and the sealing effect is based on an increase in the flow resistance when fluid particles move through the sealing elements.
  • the quick response of the sealing modules allows a good seal even in the event of eccentricity or bending vibrations of the shaft, since the sealing elements, as explained above using the example of the rotor gap control, react immediately to a movement of the shaft and thus a change in the sealing gap.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorspalt-Steuermodul (6) für eine Strömungsmaschine mit einem Rotor (5) und einem Gehäuse, das den Rotor unter Ausbildung eines Rotorspaltes (S) umgibt. Das Rotorspalt-Steuermodul ist mit einer Aktuatoreinheit versehen, die auf ein Dichtelement (8) einwirkt und dieses in den Rotorspalt hinein oder hinaus bewegt. Um das Ansprechverhalten zu erhöhen, ist vorgesehen, dass das Dichtelement kleiner als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter ist.

Description

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

Claims

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