WO2008055474A1 - Turbomaschine - Google Patents

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WO2008055474A1
WO2008055474A1 PCT/DE2007/001946 DE2007001946W WO2008055474A1 WO 2008055474 A1 WO2008055474 A1 WO 2008055474A1 DE 2007001946 W DE2007001946 W DE 2007001946W WO 2008055474 A1 WO2008055474 A1 WO 2008055474A1
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WO
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bellows
ring
shroud
rotor
cavity
Prior art date
Application number
PCT/DE2007/001946
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Böck
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.)
Filing date
Publication date
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Priority to DE502007006392T priority Critical patent/DE502007006392D1/de
Priority to AT07846281T priority patent/ATE497088T1/de
Priority to CA002666200A priority patent/CA2666200A1/en
Priority to EP07846281A priority patent/EP2087208B9/de
Priority to US12/514,283 priority patent/US8608435B2/en
Publication of WO2008055474A1 publication Critical patent/WO2008055474A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/22—Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/60—Structure; Surface texture
    • F05D2250/61—Structure; Surface texture corrugated
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/60—Structure; Surface texture
    • F05D2250/61—Structure; Surface texture corrugated
    • F05D2250/611—Structure; Surface texture corrugated undulated

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular a gas turbine, according to the preamble of claim 1 or 11.
  • a turbomachine with a stator and a rotor wherein the rotor blades and the stator has a housing and vanes.
  • the rotor-side blades form at least one blade ring, which is adjacent at a radially outer end to a radially inner housing wall of the housing, is surrounded by the same and defines a radial gap with the same.
  • the radially inner housing wall of the housing is also referred to as inner ring or shroud and serves in particular as a carrier for an inlet lining.
  • the gap between the shroud of the housing and the radially outer end of the or each blade ring to provide a so-called Active Clearance Control can be adjusted or adjusted by means of adjusting devices in its gap, so to automatically influence the gap and to ensure an optimal gap position over all operating conditions.
  • the radially inner housing wall or the outer ring is segmented in the circumferential direction, wherein preferably each segment is assigned a separate actuating device.
  • the adjusting devices are preferably designed as electro-mechanical actuators.
  • DE 101 17 231 Al discloses a turbomachine with a stator and a rotor, wherein the gap between radially outer ends of the blades and the radially inner housing wall by means of a pneumatic, so compressed air operated, actuator unit of a rotor gap control module can be adjusted.
  • the pneumatic actuator unit of the rotor gap control module disclosed therein has an actuator chamber, a pressure chamber and the actuator chamber and the pressure chamber connecting valves, depending on the prevailing pressure in the actuator chamber sealing elements of the rotor gap control module are inflated so as to pneuma - Active Clearance Control tables to adjust or adjust the gap of the gap between radially outer ends of blades and the outer ring of the housing.
  • the turbomachine according to DE 29 22 835 C2 has a stator and a rotor, wherein the gap between radially outer ends of the blades and an inner ring or shroud of a housing wall can be adjusted pneumatically.
  • the shroud ring is connected via resilient side walls with a support ring, wherein the shroud, the support ring and the side walls form a bellows-like structure.
  • the resilient side walls are curved several times.
  • the side walls are according to DE 29 22 835 C2 thus seen in the axial direction sections inwardly into the cavity and in sections outwardly arched out of the cavity.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel turbomachine with a pneumatic Active Clearance Control.
  • each wall connecting the shroud ring to the support ring is, as seen in the axial direction, curved inwardly only into the respective cavity.
  • FIG. 1 shows a cross section through stator-side modules of a turbomachine according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a bellows-type structure of the turbomachine according to FIG. 1;
  • Fig. 3 is a schematic representation of an alternative bellows-like structure of a turbomachine.
  • FIG. 1 shows a partial cross-section through a stator of a compressor 10 of a turbomachine, the stator comprising a housing 11 and a plurality of fixed guide vanes 12.
  • the stator-side guide vanes 12 form so-called vane rings which, viewed in the axial direction, are arranged one behind the other.
  • Fig. 1 a total of four fixed, stator-side vane rings 13, 14, 15 and 16 are shown.
  • the compressor 10 comprises a rotor, not shown in Fig. 1, wherein the rotor of a plurality of axially arranged behind one another, not shown rotor disks is formed, each rotor disk in the circumferential direction next to each other several, also not shown blades carries.
  • the rotor blades associated, circumferentially juxtaposed blades form so-called blade rings, wherein between each two adjacent Leitschaufelkränzen 13 and 14, 14 and 15 and 15 and 16 are each a non-illustrated blade ring is arranged.
  • the housing 11 of the stator of the compressor 10 comprises a radially inner housing wall, wherein the radially inner housing wall in the region of each rotor-side, not shown in Fig. 1 blade ring forms a so-called inner ring or shroud 17 and surrounds the respective blade ring radially outward.
  • the housing 11 further comprises a radially outer housing wall 18th
  • each non-illustrated, rotor-side blade ring forms the radially inner housing wall in the region of each non-illustrated, rotor-side blade ring a so-called shroud ring 17 which surrounds the blade ring radially outward.
  • shroud ring 17 which surrounds the blade ring radially outward.
  • the present invention now relates to such details, with the aid of which radial gaps between radially outer ends of blade rings and the respective shroud 17 can be accurately maintained.
  • the respective shroud 17, the support ring 20 and the between the respective shroud 17 and the respective support ring 20 extending, curved walls 19 each form a bellows-like structure 21, which has a cavity 22.
  • the respective bellows-like structure 21 and thus the cavity 22 surrounds in the circumferential direction completely and thus closed the respective blade ring.
  • the gap between the respective shroud 17 and the radially outer end of the respective blade ring is pneumatically adjustable.
  • the respective radially inner shroud 17 can be pressed radially inward and the respective radially outer support ring 20 radially outward.
  • an opposite deformation of the respective bellows-like structure 21 can be realized.
  • the curved, resilient walls 19 of the bellows-like structures 21 seen in the axial direction are curved only inwardly into the respective cavity 22 inwardly.
  • a relatively obtuse angle ⁇ of greater than 90 ° This will be described below with reference to FIG. 2, which shows a schematic representation of a bellows-like structure 21.
  • FIG. 2 shows that the wall sections of the respective wall 19 enclose an obtuse angle ⁇ in the region of a vertex 29 of the curvature.
  • curved walls 19 are superimposed at an increase in pressure in the corresponding cavity 22 of the respective bellows-like structure 21, two effects.
  • the respective shroud 17 and the respective support ring 20 are pressed apart as viewed directly in the radial direction.
  • this radial disengagement of the respective shroud 17 and support ring 20 is supported by a toggle-like effect of the curved walls 19 or at least not hindered.
  • the curved walls 19 are exposed to essentially exclusively compressive forces.
  • the respective bellows-like structure 21 has a greater radial extent than axial extent.
  • the walls 19 of the respective bellows-type structure 21 have a greater radial extent than axial extent.
  • each bellows-like structures 21 have an approximately constant wall thickness in the radial direction.
  • the curved walls 19 seen in the radial direction have a variable wall thickness.
  • each bellows-like structure 21 has a smaller wall thickness than the respective radially outer support ring 20.
  • the support ring 20 of each bellows-like structure 21 is therefore designed with a thicker wall thickness than the respective shroud 17. This ensures that deformations of the bellows-like structure 21 caused by changing the pressure prevailing in the respective cavity 22 act primarily on the shroud 17.
  • each bellows-like structure 21 has a contour 23 curved radially outward and projecting into the respective cavity 22 in a central region viewed in the axial direction.
  • Each bellows-like structure 21 is in each case assigned at least one compressed-air line 24 in order to either introduce compressed air into the respective cavity 22 of the respective bellows-like structure 21 or to discharge it from the same compressed air.
  • a compressed air line 24 exclusively for the bellows-like structure 21 positioned between the two guide blade rings 13 and 14, as shown in the axial direction.
  • Each bellows-like structure 21 is assigned at least one such compressed air line 24. The more such compressed air lines 24 per bellows-like structure 21 are present, the faster compressed air can be introduced into the respective cavity 24 or derived from the same.
  • a bellows-like structure 21 is arranged between the two guide blade rings 13 and 14 and between the two guide blade rings 15 and 16, between the two Leitschaufelkränzen 14 and 15, however, no such bellows-like structure is present. Rather, as shown in FIG. 1 between the two vane rings 14 and 15 and thus in the region of a rotor blade ring arranged between the same, a sensor unit 25 is arranged.
  • the sensor unit 25 With the sensor unit 25, at least the radial dimension of the gap between the corresponding blade ring and the shell ring 17 surrounding this blade ring can be measured. Via a signal line 26, the sensor unit 25 transmits a corresponding actual value to a control device, not shown, wherein the control device compares the actual value with a desired value and depending on the pressure prevailing in the cavities 22 of the bellows structures 21 set pressure such that the actual value approaches the target value ,
  • the compressed air supply into the cavities 22 and the compressed air discharge from the cavities 22 of the bellows-like structures 21 is adjustable via individual valves, so as to adjust the pressure prevailing in the cavities 22 of the two bellows-like structures 21 pressure individually and so each Dimension of the radial gap between the shroud 17 and the corresponding blade ring depending on the respective radial extent of the blade ring individually set.
  • it can be provided to adjust the compressed air supply into the cavities 22 of the bellows-like structures 21 or the compressed air discharge from the same via a common valve.
  • the two bellows-like structures 21 are each divided by axially extending parting planes in the axial direction, wherein during manufacture, the two axial halves of the bellows-like structures 21 are welded together. Alternatively, it is also possible to divide the bellows-like structures in the radial direction.
  • each wall 19 is curved in the axial direction into the respective cavity 22, viewed in the axial direction.
  • each arched, resilient wall 19 is curved in the axial direction outwardly out of the respective cavity 22. 3 close in the region of a vertex 29 of the curvature wall portions of the respective wall 19 a relatively acute angle ß of less than 90 °.
  • the wall sections enclosing the angle ⁇ of the walls 19 extend essentially in the axial direction.
  • the same as the shroud 17 and the support ring 21 are acted upon by the pressure prevailing in the cavity 22 and thereby support a radial disengagement of the shroud 17 and support ring 20 at a pressure increase in the cavity 22.
  • a in this variant negative-acting toggle-like effect is due to the tips Angle ß almost completely eliminated.
  • the bellows-type structure 30 according to FIG. 3 has a greater axial extent than radial extent, in particular the walls 19 of the bellows-type structure 30 have a greater axial extent than radial extent.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse (11) und Leitschaufeln (12) aufweist, wobei die rotorseitigen Laufschaufeln mindestens einen Laufschaufelkranz bilden, wobei der oder jeder Laufschaufelkranz an einem radial außenliegenden Ende an einen statorseitigen Innenring bzw. Mantelring (17) des Gehäuses angrenzt, von demselben umgeben ist und mit derselben einen Spalt begrenzt, wobei der jeweilige Mantelring (17) mit einem Stützring (20) über gewölbte Wände (19) verbunden ist, die zusammen mit dem Mantelring (17) und dem Stützring (20) einen Hohlraum (22) begrenzen und eine faltenbalgartige Struktur (21) bilden, und wobei durch Veränderung eines in dem Hohlraum (22) der jeweiligen faltenbalgartigen Struktur (21) herrschen Drucks der Spalt zwischen dem Mantelring (17) und dem radial außenliegenden Ende des jeweiligen Laufschaufelkranzes pneumatisch einstellbar ist. Erfindungsgemäß ist im Bereich der oder jeder faltenbalgartigen Struktur (21) jede Wand (19) in Axialrichtung gesehen ausschließlich einfach nach innen in den jeweiligen Hohlraum (22) hinein gewölbt.

Description

Turbomaschine
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 11.
Aus der DE 10 2004 037 955 Al ist eine Turbomaschine mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist. Die rotorseitigen Laufschaufeln bilden mindestens einen Laufschaufelkranz, der an einem radial außenliegenden Ende an eine radial innenliegende Gehäusewand des Gehäuses angrenzt, von derselben umgeben ist und mit derselben einen radialen Spalt begrenzt. Die radial innenliegende Gehäusewand des Gehäuses wird auch als Innenring bzw. Mantelring bezeichnet und dient insbesondere als Träger für einen Einlaufbelag. Aus der DE 10 2004 037 955 Al ist weiterhin bekannt, dass der Spalt zwischen dem Mantelring des Gehäuses und dem radial außenliegenden Ende des oder jedes Laufschaufelkranzes zur Bereitstellung eines sogenannten Active Clearance Control über Stelleinrichtungen in seinem Spaltmaß eingestellt bzw. angepasst werden kann, um so automatisch den Spalt zu beeinflussen und über alle Betriebsbedingungen eine optimale Spalthaltung zu gewährleisten. Dabei ist nach der DE 10 2004 037 955 Al die radial innenliegende Gehäusewand bzw. der Mantelring in Umfangsrichtung segmentiert, wobei vorzugsweise jedem Segment eine separate Stelleinrichtung zugeordnet ist. Die Stelleinrichtungen sind vorzugsweise als e- lektro-mechanische Aktuatoren ausgeführt.
Die DE 101 17 231 Al offenbart eine Turbomaschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Spalt zwischen radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln und der radial innenliegenden Gehäusewand mit Hilfe einer pneumatischen, also druckluftbetriebenen, Aktuatoreinheit eines Rotorspalt-Steuermoduls eingestellt werden kann. Die pneumatische Aktuatoreinheit des dort offenbarten Rotorspalt-Steuermoduls verfügt über eine Aktuator- kammer, eine Druckkammer und die Aktuatorkammer sowie die Druckkammer verbindende Ventile, wobei abhängig von dem in der Aktuatorkammer herrschenden Druck Dichtelemente des Rotorspalt-Steuermoduls aufgeblasen werden, um so im Sinne eines pneuma- tischen Active Clearance Control das Spaltmaß des Spalts zwischen radial außenliegenden Enden von Laufschaufeln und dem Mantelring des Gehäuses einzustellen bzw. anzupassen.
Die DE 29 22 835 C2 und die US 5,211,534 offenbaren weitere Turbomaschinen mit einem pneumatischen bzw. druckluftbetriebenen Active Clearance Control.
So verfügt die Turbomaschine gemäß DE 29 22 835 C2 über einen Stator und einen Rotor, wobei der Spalt zwischen radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln und einem Innenring bzw. Mantelring einer Gehäusewand pneumatisch eingestellt werden kann. Hierzu ist der Mantelring über nachgiebige Seitenwände mit einem Stützring verbunden, wobei der Mantelring, der Stützring und die Seitenwände eine faltenbalgartige Struktur bilden. Durch Einstellung des Drucks in einem von der faltenbalgartigen Struktur definierten Hohlraum kann der Spalt zwischen radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln und dem Mantelring eingestellt werden. Dabei sind nach der DE 29 22 835 C2 die nachgiebigen Seitenwände mehrfach gewölbt. Die Seitenwände sind nach der DE 29 22 835 C2 demnach in Axialrichtung gesehen abschnittsweise nach innen in den Hohlraum hinein und abschnittsweise nach außen aus dem Hohlraum heraus gewölbt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Turbomaschine mit einem pneumatischen Active Clearance Control zu schaffen.
Dieses Problem wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Hiernach ist im Bereich der oder jeder faltenbalgartigen Struktur jede den Mantelring mit dem Stützring verbindende Wand in Axialrichtung gesehen ausschließlich einfach nach innen in den jeweiligen Hohlraum hinein gewölbt.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 11 gelöst. Hiernach ist im Bereich der oder jeder faltenbalgartigen Struktur jede den Mantelring mit dem Stützring verbindende Wand in Axialrichtung gesehen ausschließlich einfach nach außen aus dem jeweiligen Hohlraum heraus gewölbt. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch statorseitige Baugruppen einer erfindungsgemäßen Turbomaschine;
Fig. 2 eine schematisierte Darstellung einer faltenbalgartigen Struktur der Turbomaschine gemäß Fig. 1 ; und
Fig. 3 eine schematisierte Darstellung einer alternativen faltenbalgartigen Struktur einer Turbomaschine.
Fig. 1 zeigt einen ausschnittweisen Querschnitt durch einen Stator eines Verdichters 10 einer Turbomaschine, wobei der Stator ein Gehäuse 11 sowie mehrere feststehende Leitschaufeln 12 umfasst. Die statorseitigen Leitschaufeln 12 bilden sogenannte Leitschaufelkränze, die in Axialrichtung gesehen hintereinander angeordnet sind. In Fig. 1 sind insgesamt vier feststehende, statorseitige Leitschaufelkränze 13, 14, 15 und 16 gezeigt.
Neben dem Stator umfasst der Verdichter 10 einen in Fig. 1 nicht dargestellten Rotor, wobei der Rotor von mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten, nicht dargestellten Rotorscheiben gebildet ist, wobei jede Rotorscheibe in Umfangsrichtung nebeneinander mehrere, ebenfalls nicht dargestellte Laufschaufeln trägt. Die einer Rotorscheibe zugeordneten, in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Laufschaufeln bilden sogenannte Laufschaufelkränze, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Leitschaufelkränzen 13 und 14, 14 und 15 sowie 15 und 16 jeweils ein nicht dargestellter Laufschaufelkranz angeordnet ist.
Das Gehäuse 11 des Stators des Verdichters 10 umfasst eine radial innenliegende Gehäusewand, wobei die radial innenliegende Gehäusewand im Bereich jedes rotorseitigen, in Fig. 1 nicht gezeigten Laufschaufelkranzes einen sogenannten Innenring bzw. Mantelring 17 bildet und den jeweiligen Laufschaufelkranz radial außen umschließt. Neben den Man- telringen 17 der radial innenliegenden Gehäusewand umfasst das Gehäuse 11 weiterhin eine radial außenliegende Gehäuse wand 18.
Wie bereits ausgeführt, bildet die radial innenliegende Gehäusewand im Bereich jedes nicht-dargestellten, rotorseitigen Laufschaufelkranzes einen sogenannten Mantelring 17, der den Laufschaufelkranz radial außen umschließt. Zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln eines jeden Laufschaufelkranzes und dem jeweiligen Mantelring 17 ist dabei ein radialer Spalt ausgebildet, der während des Betriebs des Verdichters erheblichen Veränderungen unterliegt, da einerseits die Laufschaufeln und die jeweiligen Mantelringe ein unterschiedliches thermisches Verhalten aufweisen und da andererseits die Laufschaufeln aufgrund der im Betrieb wirkenden Fliehkräfte bzw. Zentrifugalkräfte einer Längenänderung unterliegen.
Die Einhaltung definierter Abmessungen des jeweiligen Spalts zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes und dem jeweiligen Mantelring 17 bereitet während des Betriebs erhebliche Schwierigkeiten, ist jedoch zur Optimierung des Wirkungsgrads von entscheidender Bedeutung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun solche Details, mit Hilfe derer radiale Spalte zwischen radial außenliegenden Enden von Laufschaufelkränzen und dem jeweiligen Mantelring 17 exakt eingehalten werden können.
Gemäß Fig. 1 sind die Mantelringe 17, die sich zwischen den Leitschaufelkränzen 13 und 14 sowie 15 und 16 erstrecken, über gewölbte sowie elastisch nachgiebige Wände 19 mit einem Stützring 20 verbunden, wobei der jeweilige Stützring 20 zwischen dem jeweiligen Mantelring 17 und der radial außenliegenden Gehäusewand 18 angeordnet ist. Der jeweilige Mantelring 17, der Stützring 20 sowie die sich zwischen den jeweiligen Mantelring 17 und dem jeweiligen Stützring 20 erstreckenden, gewölbten Wände 19 bilden jeweils eine faltenbalgähnliche Struktur 21, die einen Hohlraum 22 aufweist. Die jeweilige faltenbalg- ähnliche Struktur 21 und damit der Hohlraum 22 umgibt in Umfangsrichtung gesehen vollständig und damit geschlossen den jeweiligen Laufschaufelkranz. Durch Veränderung eines im jeweiligen Hohlraum 22 der faltenbalgähnlichen Struktur 21 herrschenden Drucks ist der Spalt zwischen dem jeweiligen Mantelring 17 und dem radial außenliegenden Ende des jeweiligen Laufschaufelkranzes pneumatisch einstellbar. Bei einer Druckerhöhung im Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 kann der jeweilige, radial innenliegende Mantelring 17 nach radial innen und der jeweilige, radial außenliegende Stützring 20 nach radial außen gedrückt werden. Durch eine Druckreduzierung im Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 kann eine entgegengesetzte Verformung der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 realisiert werden.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die gewölbten, elastisch nachgiebigen Wände 19 der faltenbalgähnlichen Strukturen 21 in Axialrichtung gesehen ausschließlich einfach nach innen in den jeweiligen Hohlraum 22 hinein gewölbt. Im Bereich eines Scheitelpunkts der Wölbung schließen Wandabschnitte der jeweiligen Wand 19 einen relativ stumpfen Winkel α von größer als 90° ein. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2, die eine schematisierte Darstellung einer faltenbalgähnlichen Struktur 21 zeigt, beschrieben.
So zeigt Fig. 2, dass im Bereich eines Scheitelpunkts 29 der Wölbung die Wandabschnitte der jeweiligen Wand 19 einen stumpfen Winkel α einschließen. Bei derart gewölbten Wänden 19 überlagern sich bei einer Druckerhöhung im entsprechenden Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 zwei Effekte.
Erstens werden bedingt durch die Druckerhöhung im Hohlraum 22 der jeweilige Mantelring 17 sowie der jeweilige Stützring 20 unmittelbar in Radialrichtung gesehen auseinander gedrückt. Zweitens wird dieses radiale Auseinanderdrücken des jeweiligen Mantelrings 17 und Stützrings 20 durch einen kniehebelartigen Effekt der gewölbten Wände 19 unterstützt bzw. zumindest nicht behindert. Dabei sind die gewölbten Wände 19 im Wesentlichen ausschließlich Druckkräften ausgesetzt. Gemäß Fig. 1 und 2 weist die jeweilige faltenbalgartige Struktur 21 eine größere Radialerstreckung als Axialerstreckung auf. Vorzugsweise weisen die Wände 19 der jeweiligen faltenbalgartigen Struktur 21 eine größere Radialerstreckung als Axialerstreckung aufweisen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verfügen die gewölbten Wände 19 jeder fal- tenbalgähnlichen Strukturen 21 in Radialrichtung gesehen über eine in etwa konstante Wandstärke. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass die gewölbten Wände 19 in Radialrichtung gesehen eine veränderliche Wandstärke aufweisen.
Wie ebenfalls Fig. 1 entnommen werden kann, weist der radial innenliegende Mantelring 17 jeder faltenbalgähnlichen Struktur 21 eine geringere Wandstärke auf als der jeweilige radial außenliegende Stützring 20. Der Stützring 20 einer jeden faltenbalgähnlichen Struktur 21 ist demnach mit einer dickeren Wandstärke ausgeführt als der jeweilige Mantelring 17. Hierdurch wird gewährleistet, dass durch Veränderung des im jeweiligen Hohlraum 22 herrschenden Drucks bewirkte Verformungen der faltenbalgähnlichen Struktur 21 in erster Linie auf den Mantelring 17 wirken.
Fig. 1 kann weiterhin entnommen werden, dass der Mantelring 17 einer jeden faltenbalgähnlichen Struktur 21 in einem in Axialrichtung gesehen mittleren Bereich eine nach radial außen gewölbte, in den jeweiligen Hohlraum 22 hineinragende Kontur 23 aufweist.
Hierdurch wird erzielt, dass bei einer Verformung des Mantelrings 17 infolge einer Druckänderung im Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 eine äußere Kontur 28 des Mantelrings 17 in Radialrichtung gesehen im Wesentlichen ausschließlich parallel verschoben wird, so dass ein Spalt zwischen dem Mantelring 17 und dem Laufschaufelkranz exakt eingestellt werden kann.
Jeder faltenbalgähnlichen Struktur 21 ist jeweils mindestens eine Druckluftleitung 24 zugeordnet, um in den jeweiligen Hohlraum 22 der jeweiligen faltenbalgähnlichen Struktur 21 entweder Druckluft einzuleiten bzw. aus demselben Druckluft abzuleiten. Aus Gründen einer einfacheren Darstellung zeigt Fig. 1 eine derartige Druckluftleitung 24 ausschließlich für die in Axialrichtung gesehen zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 13 und 14 positionierte faltenbalgähnliche Struktur 21. Jeder faltenbalgähnlichen Struktur 21 ist mindestens eine derartige Druckluftleitungen 24 zugeordnet. Je mehr derartige Druckluftleitungen 24 pro faltenbalgähnlicher Struktur 21 vorhanden sind, desto schneller kann Druckluft in den jeweiligen Hohlraum 24 eingeleitet bzw. aus demselben abgeleitet werden.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 13 und 14 sowie zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 15 und 16 jeweils eine faltenbalgähnliche Struktur 21 angeordnet, zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 14 und 15 ist hingegen keine derartige faltenbalgähnliche Struktur vorhanden. Vielmehr ist gemäß Fig. 1 zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 14 und 15 und damit im Bereich eines zwischen denselben angeordneten Laufschaufelkranzes eine Sensoreinheit 25 angeordnet.
Mit der Sensoreinheit 25 kann zumindest die radiale Abmessung des Spalts zwischen dem entsprechenden Laufschaufelkranz und dem diesen Laufschaufelkranz umgebenden Mantelring 17 vermessen werden. Über eine Signalleitung 26 übermittelt die Sensoreinheit 25 einen entsprechenden Istwert an eine nicht dargestellte Regeleinrichtung, wobei die Regeleinrichtung den Istwert mit einem Sollwert vergleicht und abhängig hiervon den in den Hohlräumen 22 der faltenbalgartigen Strukturen 21 herrschenden Druck derart einstellt, dass sich der Istwert dem Sollwert annähert.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Druckluftzufuhr in die Hohlräume 22 bzw. die Druckluftabfuhr aus den Hohlräumen 22 der faltenbalgartigen Strukturen 21 über individuelle Ventile einstellbar ist, um so den in den Hohlräumen 22 der beiden faltenbalgartigen Strukturen 21 herrschenden Druck individuell einzustellen und so jeweils die Abmessung des radialen Spalts zwischen dem Mantelring 17 und dem entsprechenden Laufschaufelkranz anhängig von der jeweiligen Radialerstreckung des Laufschaufelkranzes individuell einzustellen. Alternativ kann vorgesehen sein, die Druckluftzufuhr in die Hohlräume 22 der faltenbalg- artigen Strukturen 21 bzw. die Druckluftabfuhr aus denselben über ein gemeinsames Ventil einzustellen. Durch unterschiedliche Radialerstreckungen der jeweiligen Laufschaufelkränze des Verdichters 10 erforderliche, unterschiedliche Verformungen der faltenbalgähnli- chen Strukturen 21 sind dann durch eine angepasste Wölbung der gewölbten Wände 19 und/oder eine angepasste Wandstärke der gewölbten Wände 19 und/oder durch eine angepasste radiale Erstreckung der faltenbalgähnlichen Strukturen 21 erzielbar.
Gemäß Fig. 1 sind die beiden faltenbalgähnlichen Strukturen 21 jeweils durch sich in Radialrichtung erstreckende Trennebenen in Axialrichtung geteilt, wobei bei der Fertigung die beiden Axialhälften der faltenbalgähnlichen Strukturen 21 miteinander verschweißt werden. Alternativ ist es auch möglich, die faltenbalgähnlichen Strukturen in Radialrichtung zu teilen.
Gemäß Fig. 1 und 2 ist im Bereich jeder faltenbalgartigen Struktur 21 jede Wand 19 in A- xialrichtung gesehen ausschließlich einfach nach innen in den jeweiligen Hohlraum 22 hinein gewölbt.
Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, wie dies Fig. 3 schematisiert zeigt, dass im Bereich einer jeden faltenbalgartigen Struktur 30 jede gewölbte, elsatisch nachgiebige Wand 19 in Axialrichtung gesehen ausschließlich einfach nach außen aus dem jeweiligen Hohlraum 22 heraus gewölbt ist. Dabei schließen gemäß Fig. 3 im Bereich eines Scheitelpunkts 29 der Wölbung Wandabschnitte der jeweiligen Wand 19 einen relativ spitzen Winkel ß von kleiner als 90° ein.
Gemäß Fig. 3 erstrecken sich die den Winkel ß einschließenden Wandabschnitte der Wände 19 im wesentlichen in Axialrichtung. Dabei werden dieselben wie der Mantelring 17 und der Stützring 21 vom im Hohlraum 22 herrschenden Druck beaufschlagt und unterstützen dadurch ein radiales Auseinanderdrücken des Mantelrings 17 und Stützrings 20 bei einer Druckerhöhung im Hohlraum 22. Ein bei dieser Variante negativ wirkender kniehebelartiger Effekt wird bedingt durch den spitzen Winkel ß nahezu vollständig eliminiert. Die faltenbalgartige Struktur 30 gemäß Fig. 3 weist eine größere Axialerstreckung als Radialerstreckung auf, insbesondere weisen die Wände 19 der faltenbalgartigen Struktur 30 eine größere Axialerstreckung als Radialerstreckung auf.

Claims

Patentansprüche
1. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist, wobei die rotorseitigen Laufschaufeln mindestens einen Laufschaufelkranz bilden, wobei der oder jeder Laufschaufelkranz an einem radial außenliegenden Ende an einen statorsei- tigen Innenring bzw. Mantelring des Gehäuses angrenzt, von demselben umgeben ist und mit derselben einen Spalt begrenzt, wobei der jeweilige Mantelring mit einem Stützring über gewölbte Wände verbunden ist, die zusammen mit dem Mantelring und dem Stützring einen Hohlraum begrenzen und eine faltenbalgartige Struktur bilden, und wobei durch Veränderung eines in dem Hohlraum der jeweiligen faltenbalgartigen Struktur herrschen Drucks der Spalt zwischen dem Mantelring und dem radial außenliegenden Ende des jeweiligen Laufschaufelkranzes pneumatisch einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der oder jeder faltenbalgartigen Struktur (21) jede Wand (19) in Axialrichtung gesehen ausschließlich einfach nach innen in den jeweiligen Hohlraum (22) hinein gewölbt ist.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass im Bereich eines Scheitelpunkts (29) der Wölbung Wandabschnitte der jeweiligen Wand (19) einen relativ stumpfen Winkel von größer als 90° einschließen.
3. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (19) eine konstante Wandstärke aufweisen.
4. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände in Radialrichtung gesehen eine veränderliche Wandstärke aufweisen.
5. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der oder jeder faltenbalgartigen Struktur (21) der Mantelring (17) eine geringere Wandstärke aufweist als der Stützring (20).
6. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der oder jeder faltenbalgartigen Struktur (21) der Mantelring (17) in einem in Axialrichtung gesehen mittlem Bereich eine in den Hohlraum (22) hinein gewölbte Kontur (23) aufweist.
7. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder faltenbalgartigen Struktur jeweils mindestens eine Druckluftleitung (24) zugeordnet ist, um Druckluft in den jeweiligen Hohlraum (22) einzuleiten bzw. aus demselben abzuleiten.
8. Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Laufschaufelkränzen jeweils eine faltenbalgartige Struktur (21) zugeordnet ist, und dass zwischen den beiden Laufschaufelkränzen, denen jeweils eine faltenbalgartige Struktur (21) zugeordnet ist, mindestens ein Laufschaufelkranz angeordnet ist, dem ein Sensoreinheit (25) zugeordnet ist, wobei die oder jede Sensoreinheit (25) die radiale Abmessung des Spalts im Bereich des jeweiligen Laufschaufelkranzes vermisst und einen entsprechenden Istwert an eine Regeleinrichtung übermittelt, und wobei die Regeleinrichtung den Istwert mit einem Sollwert vergleicht und abhängig hiervon den in den Hohlräumen (22) der jeweiligen faltenbalgartigen Strukturen (21) herrschenden Druck derart einstellt, dass sich der Istwert dem Sollwert annähert.
9. Turbomaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftzufuhr in die Hohlräume (22) bzw. die Druckluftabfuhr aus den Hohlräumen (22) über ein gemeinsames Ventil einstellbar ist, wobei durch unterschiedliche Radialerstreckungen der jeweiligen Laufschaufelkränze erforderliche, unterschiedliche Verformungen der faltenbalgartigen Strukturen durch eine angepasste Wölbung und/oder anpasste Wandstärke der gewölbten Wände der jeweiligen faltenbalgartigen Strukturen erzielbar sind.
10. Turbomaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftzufuhr in die Hohlräume (22) bzw. die Druckluftabfuhr aus den Hohlräumen (22) über individuelle Ventile einstellbar ist, wobei durch unterschiedliche Radialerstreckungen der jeweiligen Laufschaufelkränze erforderliche, unterschiedliche Verformungen der faltenbalgartigen Strukturen durch eine individuelle Druckluftzufuhr bzw. Druckluftabfuhr erzielbar sind.
11. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor Laufschaufeln und der Stator ein Gehäuse und Leitschaufeln aufweist, wobei die rotorseitigen Laufschaufeln mindestens einen Laufschaufelkranz bilden, wobei der oder jeder Laufschaufelkranz an einem radial außenliegenden Ende an einen statorsei- tigen Innenring bzw. Mantelring des Gehäuses angrenzt, von demselben umgeben ist und mit derselben einen Spalt begrenzt, wobei der jeweilige Mantelring mit einem Stützring über gewölbte Wände verbunden ist, die zusammen mit dem Mantelring und dem Stützring einen Hohlraum begrenzen und eine faltenbalgartige Struktur bilden, und wobei durch Veränderung eines in dem Hohlraum der jeweiligen faltenbalgartigen Struktur herrschen Drucks der Spalt zwischen dem Mantelring und dem radial außenliegenden Ende des jeweiligen Laufschaufelkranzes pneumatisch einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der oder jeder faltenbalgartigen Struktur (30) jede Wand (19) in Axi- alrichtung gesehen ausschließlich einfach nach außen aus dem jeweiligen Hohlraum (22) heraus gewölbt ist.
12. Turbomaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Scheitelpunkts (29) der Wölbung Wandabschnitte der jeweiligen Wand (19) einen relativ spitzen Winkel von kleiner als 90° einschließen.
13. Turbomaschine nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch
Merkmale nach einem der Ansprüche 3 bis 10.
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