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Die
Erfindung betrifft eine 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 mit radial außenliegenden
Spitzen an das Gehäuse angrenzen und mit diesem einen Spalt
begrenzen, und wobei zur Minimierung des Spalts zwischen den Spitzen
der Laufschaufeln und dem Gehäuse ein Deckband vorgesehen
ist, das über mehrere am Umfang verteilte piezoelektrische
Aktoren radial bewegt wird.
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Turbomaschinen,
zum Beispiel Gasturbinen wie Flugtriebwerke, weisen zumindest einen
Rotor und mindestens einen Stator auf, und zwar sowohl im Verdichter
als auch im Turbinenbereich. Die dem Rotor zugeordneten Laufschaufeln
rotieren gegenüber dem feststehenden Gehäuse und
den ebenfalls feststehenden Leitschaufeln.
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Zwischen
den radial außenliegenden sogenannten Schaufelspitzen und
dem Gehäuse ergeben sich Spalte. Diese müssen
zur Optimierung des Wirkungsgrads der Turbomaschine möglichst
klein sein, was insbesondere für den radial äußeren
Spalt zwischen der Laufschaufelspitze und dem Gehäuse gilt. Das
Gehäuse ebenso wie die Laufschaufeln unterliegen während
des Betriebes der Gasturbine erheblichen Veränderungen,
da einerseits das Gehäuse und die Laufschaufeln sich aufgrund
ihres unterschiedlichen thermischen Verhaltens unterschiedlich stark
ausdehnen und da andererseits die rotierenden Laufschaufeln aufgrund
der im Betrieb der Turbomaschine wirkenden Fliehkräfte
Spaltänderungen verursachen. Darüber hinaus kann
es auch zu einem sogenannten Rotorpendeln kommen, was bezüglich der
Spaltabdichtung natürlich noch problematischer ist.
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In
der Vergangenheit wurden bereits sogenannte ACC(Active Clearance
Control)-Systeme eingesetzt. Dabei wird der Spalt zwischen den Schaufelspitzen
und sogenannten Deckbändern, die zwischen dem Gehäuse
und den Schaufelspitzen liegen, direkt verändert, indem
die Deckbänder bewegt werden. Damit werden Überströmverluste
sehr klein gehalten. Außerdem wird auch das Anstreifen
der Schaufeln an den Einlaufbelag bei unsymmetrischen Lasten verringert
oder sogar verhindert.
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Spreizringkonstruktionen,
hydraulische Verstellungen und thermisch gesteuerte Konstruktionen wie
Gehäusekühlungen sind in diesem Zusammenhang teure
und zum Teil auch groß bauende, schwere Lösungen
mit hohem Leistungsbedarf und vor allem auch relativ hoher Trägheit
bei der Verstellung der Deckbänder. Darüber hinaus
können diese Systeme nur symmetrische Verschiebungen erzeugen.
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Aus
der gattungsgemäßen
WO 96/17156 ist ein ACC-System bekannt,
bei dem zwischen dem Deckband und dem Gehäuse ein umfangsmäßig durchgehendes,
sinusförmiges Piezoelement verläuft, das abwechselnd
an dem Deckband und an dem Gehäuse befestigt ist. Zwischen
den einzelnen Befestigungspunkten wird eine Spannung angelegt, so
daß der Abschnitt zwischen diesen Befestigungspunken beim
Anlegen der Spannung zur Aktivierung des Piezoabschnittes führt.
Die Deckbänder sind segmentartig unterteilt, und die einzelnen
Segmente weisen zwischen sich einen Spalt auf.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Turbomaschine mit einem verbesserten
ACC-System zu schaffen.
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Dies
wird bei einer Turbomaschine der eingangs genannten Art dadurch
erreicht, daß das Gehäuse eine an das Deckband
angrenzende Umfangswand besitzt und die Aktoren radial auf der bezüglich
der Schaufelspitzen entgegengesetzten Seite der Umfangswand angeordnet
sind.
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Indem
die Aktoren sozusagen außerhalb der Gehäusewand
angeordnet sind, lassen sie sich gastechnisch und thermisch vom
Innenraum trennen, was insbesondere im Turbinenbereich aufgrund
des Heißgases Vorteile hat. Das Gehäuse kann wie
bisher integral ausgeführt sein und muß nicht
axial geteilt werden. Auch die Aufhängung der Statorbauteile wird
durch die Erfindung nicht beeinflußt.
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Das
ACC-System, welches bei der erfindungsgemäßen
Turbomaschine eingesetzt wird, baut sehr leicht und klein, verbraucht
nur geringe Hilfsenergie und weist eine hohe Zuverlässigkeit
auf. Die piezoelektrischen Aktoren besitzen hohe Stellkräfte und
sind extrem schnell ansprechbar, so daß die erforderlichen
kleinen Verschiebungen ausreichend schnell umgesetzt werden können.
Aufgrund der zahlreichen auf dem Umfang verteilten Aktoren läßt sich
das Deckband auch unsymmetrisch verformen, um beispielsweise beim
Rotortaumeln den Spalt sozusagen der Taumelbewegung anzupassen.
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Gemäß der
bevorzugten Ausführungsform ist das Deckband umfangsmäßig
geschlossen, das heißt einstückig, so daß die
Bewegung von Aktoren an einer Seite auch einen Einfluß auf
die Abschnitte des Deckbandes an einer anderen, zum Beispiel gegenüberliegenden
Seite haben.
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Natürlich
kann das Deckband auch geschlitzt sein oder aus mehreren Segmenten
zusammengesetzt werden. Die Schlitze können optional allseitig geschlossen,
d. h. durch eine Wand begrenzt sein.
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Die
Umfangswand sollte Öffnungen besitzen, durch die sich Andrück-
oder Zugelemente erstrecken, welche die Aktoren mit dem Deckband
koppeln.
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Hier
ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform
eine sogenannte Blechbaugruppe denkbar, in der die Andrück-
oder Zugelemente mit dem Deckband einstückig verbunden
sind (zum Beispiel über Löten oder Schweißen).
Hierdurch ergibt sich eine hohe Stabilität des ACC-Systems.
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Natürlich
können die Elemente auch aus mehreren Teilen form- und/oder
kraftschlüssig miteinander verbunden sein, z. B. über
Niete.
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Die Öffnungen
sind vorzugsweise Schlitze, insbesondere schmale Schlitze im Gehäuse,
durch die sich die Andrück- oder Zugelemente erstrecken.
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Vorzugsweise
sind die Andrück- oder Zugelemente schmale Stege.
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Die
Struktur ist dabei so ausgebildet, daß sie geometrisch
optimal auf Widerstandskenngrößen ausgerichtet
ist.
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Die
Andrück- oder Zugelemente erstrecken sich gemäß einer
Ausführungsform radial bis zu einer Leiste, die an der
Innenseite der zugeordneten Aktoren liegt.
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Die
Leiste ist insbesondere Teil eines Rahmens, in dem ein Aktor aufgenommen
ist.
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Der
Aktor kann die Leiste nach außen ziehen oder radial auf
die Leiste drücken, dann liegt die Leiste auch tatsächlich
an ihm an. Der Aktor kann aber auch in Axial- oder Umfangsrichtung
wirken, so daß über die Dickenänderung
in Axial- oder Umfangsrichtung und eine Art Umlenkkinematik eine
Stellbewegung in radialer Richtung erfolgen kann. Vorzugsweise ist
für jeden Aktor wenigstens eine eigene Leiste und wenigstens
ein eigenes Andrück- oder Zugelement vorgesehen. Alternativ
oder zusätzlich kann eine Leiste ein Paket von Aktoren
aufnehmen.
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Leiste,
Rahmen und/oder Andrück- oder Zugelement können
einstückig miteinander verbunden sein, so daß sich
eine Art Festkörpergelenk ergibt..
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Die
Leisten sollten im Gehäuse oder im Rahmen befestigt sein,
wobei dies auch gegebenenfalls durch Schweißen oder Löten
erfolgen kann.
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Das
Gehäuse besitzt gemäß der bevorzugten
Ausführungsform radial außerhalb der Umfangswand
Kammern zur Unterbringung der Aktoren und gegebenenfalls auch der
zuvor erwähnten Rahmen.
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Besonders
vorteilhaft ist die Erfindung im Zusammenhang mit einer Kühlung
der Aktoren. Da die Aktoren außerhalb der Umfangswand liegen,
lassen sich diese über einen eigenen Kühlmittelstrom
auf Temperatur halten. Der Kühlmittelstrom kann aus dem
Bypaßstrom abgezweigt werden und wieder in diesen eingeleitet
werden, so daß der Aufwand für die Kühlung
sehr gering ist.
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Die
Aktoren können so im Gehäuse angeordnet sein,
daß der Kühlmittelstrom in Axialrichtung der Turbomaschine
das Gehäuse im Bereich der Aktoren zu deren Kühlung
durchströmt, was besonders vorteilhaft bei Verwendung des
Bypaßstromes ist.
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Die
Vorteile der Erfindung liegen unter anderem darin, daß kein
Anstreifen der Schaufeln auch unter dynamischen Lasten mehr erfolgt
und daß eine geringe Leistungsaufnahme und eine sehr gute
Energiebilanz erzielbar sind, denn im geschalteten Zustand sind
die Aktoren praktisch stromlos. Darüber hinaus kann auch
eine Rückspeicherung von Hilfsenergie erfolgen. Das Trägheitsverhalten
des ACC-Systems ist sehr gering und die Stabilität der Lagerung
des Deckbandes sehr hoch. Ein sehr genaues und schnelles Stellverhalten
bei hohen Kräften sowie eine hohe Zuverlässigkeit
bei vielen Schaltezyklen sind weitere hervorzuhebende Vorteile.
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Weitere
Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung
und den nachfolgenden Zeichnungen ersichtlich, auf die Bezug genommen
wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße
Turbomaschine in Form einer Gasturbine,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines bei der Erfindung eingesetzten ACC-Systems,
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3 eine
Frontansicht des ACC-Systems nach 2,
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4 eine
vergrößerte Frontansicht eines Abschnitts des
ACC-Systems nach den 2 und 3,
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5 eine
Perspektivansicht des in 4 gezeigten Abschnitts,
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6 eine
etwas modifizierte Ausführungsform des ACC-Systems im Radialschnitt
gesehen,
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7 eine
vergrößerte Ansicht des Außenrandes des
ACC-Systems nach 6, und
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8 eine
vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts des
ACC-Systems längs der Linie VIII-VIII in 7.
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In 1 ist
eine Turbomaschine mit einem Einlaufdiffusor 10, einem
Verdichter 12, einer Brennkammer 14, einer Turbine 16 und
einer Schubdüse 18 dargestellt, die alle in einem
Gehäuse 20 liegen. Nur beispielshaft sind einige
der zahlreichen Laufschaufeln 22 als Teil des Rotors und
Leitschaufeln 24 als Teil des Stators im Verdichter- oder
Turbinenabschnitt dargestellt. Zwischen den Schaufelspitzen 26 und
dem Gehäuse 20 ergibt sich ein umlaufender Spalt 28,
der nur zur Verdeutlichung in 1 übertrieben
groß dargestellt ist. Ein weiterer Spalt ergibt sich zwischen
den Leitschaufeln und der Nabe 30.
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Im
Bereich jedes Leitschaufelkranzes ist je ein in den 2 und 3 dargestelltes
ACC-System vorgesehen, das aus mehreren Komponenten besteht und
in das Gehäuse 20 integriert ist. Das Gehäuse 20 selbst
weist mehrere Abschnitte auf, nämlich (siehe 4 und 5)
eine innenliegende Umfangswand 32 sowie eine außenliegende
Umfangswand 34, die über radiale Rippen 36 miteinander
verbunden sind. Zwischen den Rippen ergeben sich zahlreiche Kammern 38.
Die Kammern 38 werden radial nach innen noch von jeweils
einer biegeweichen Leiste 40 abgetrennt. Die Kammerwände
außerhalb der Umfangswand können aber auch getrennt
von der Umfangswand 32 hergestellt sein. Die Leiste 40 kann
an den Rippen 36 anliegen oder auch mit diesen verbunden
sein, sie muß aber eine gewisse Flexibilität in
radialer Richtung aufweisen.
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Radial
innenseitig geht jede Leiste 40 insbesondere einstückig
in ein Andrück- oder Zugelement (Steg 42) über,
wobei vorzugsweise jede Leiste 40 einem Steg 42 zugeordnet
ist. Die sehr dünn ausgebildeten Stege 42 erstrecken
sich durch längliche, insbesondere schlitzförmige,
sich nur axial abschnittsweise erstreckende Öffnungen 44 in
der innenliegenden Umfangswand 32 und spalten sich zu einer Y-Form,
das heißt zu zwei Stegen auf, um dann insbesondere einstückig
mit einem innenliegenden Deckband 46 verbunden zu sein.
Das Deckband 46 läuft vorzugsweise umfangsmäßig
geschlossen um. Unmittelbar an das Deckband 46 grenzen
die Schaufelspitzen 26 an. Der Spalt 28 zwischen
den Schaufelspitzen und dem Deckband 46 ist fast vernachlässigbar
klein.
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In
jeder Kammern 38 sitzt ist ein piezoelektrischer Antrieb
in Form eines Aktors 48 eingepaßt, der an den
Stegen 40 auch anliegen sollte, zumindest bei dieser Ausführungsform.
Bevorzugt ist die Lage der Aktoren 48 einzeln oder in Gruppen
in radialer Richtung einstellbar, z. B. durch Ausbildung einzeln
oder in Gruppen radial einstell- und justierbarer Kammerwände
oder durch innerhalb der Kammern 38 radial justierbare
Aktoren 48. Wichtig ist nämlich beim Zusammenbau
der Turbomaschine, daß der Spalt 28 im Grundzustand
gleichmäßig ist. Somit wird bevorzugt über
die Lage der Kammern 38 und/oder der Aktoren 48 das
Deckband 46 gleichmäßig nah an den Schaufelkranz
positioniert. Diese Kalibrierung muß sehr exakt erfolgen.
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Wie
in den 4 und 5 zu sehen ist, ergibt sich
eine Art Festkörperkinematik mit Festkörpergelenken
durch die Rippen 36, Leisten 40 und Stege 44,
wobei sämtliche Teile nicht einstückig ineinander übergehen
müßten, sondern beispielsweise auch über
Gelenke miteinander verbunden sein könnten.
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Wie
in den 2 und 3 zu sehen ist, ergibt sich
eine Art Ring mit in Umfangsrichtung zahlreichen aneinander angrenzenden
Kammern 38 und zugeordneten Aktoren 48.
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Die
piezoelektrischen Aktoren 48 sind insbesondere Pakete von
einzelnen, dünnen Piezoelementen, wobei natürlich
auch ein einzelnes Piezoelement verwendet werden kann. Über
Piezoelementpakete lassen sich gegebenenfalls höhere Verstellwege
verwirklichen.
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Jeder
Aktor 48 kann einzeln angesteuert werden. Durch Dickenänderung
des Aktors 48 werden die Leisten 40 mehr oder
weniger stark radial nach innen oder außen gedrückt
bzw. gezogen, die als Andrück- oder Zugelemente fungierenden
Stege 44 übertragen die Kraft wie bei einer Festkörperkinematik
auf das Deckband 46. Somit läßt sich
das Deckband 46 mehr oder weniger stark aufweiten oder
zusammenziehen oder auch zu einem Unrund deformieren, das umläuft.
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Es
läßt sich hiermit, gezielt auf die jeweilige Bedingung
abgestimmt, ein minimaler Spalt 28 erzeugen.
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Wie
in 4 zu erkennen ist, bildet die Umfangswand 32 eine
Art thermische Barriere, die als erste Abschirmung der Aktoren 48 dient.
Als zweite Abschirmung wirken dann die Leisten 40, die
Teil eines Rahmens sind, der durch die Rippen 36 und die äußere
Umfangswand 34 gebildet ist, und zwar um jeden Aktor 48.
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Während
sich bei der Ausführungsform nach den 2 bis 5 die
Aktoren radial ausdehen, dehnen sie sich bei der Ausführungsform
nach 6 bis 8 axial aus. Der Steg 42 muß hier
nicht einstückig in die Leiste 40 übergehen,
vielmehr kann die Leiste 40 z. B. über schräge
Zwischenleisten 50 mit Stirnwänden 52 gekoppelt
sein, um eine Art Rahmen für die Aufnahme des Aktors 48 zu
bilden.
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Funktionsgleiche
Teile sind aber mit den bereits eingeführten Bezugszeichen
versehen.
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Das
Gehäuse mit den Umfangswänden 32 und 34 ist
zur Vereinfachung in den 6 und 7 weggelassen
worden, jedoch ist es entsprechend der Ausführungsform
nach 2 ausgeführt, so daß die Stege 42 durch
entsprechende Öffnungen in der Umfangswand 32 hindurch
verlaufen. Für jeden Aktor 48 ist sozusagen eine
eigene Kammer 38 mit einem Rahmen 54 gebildet,
so daß sich zahlreiche Rahmen umfangsmäßig
aneinanderreihen.
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Wenn
der Aktor 48 betätigt wird und sich das Piezoelement
in Axialrichtung längt, werden die Stirnwände 42 weiter
voneinander weg gedrückt, so daß die Zwischenleisten 50 weniger
stark nach außen oder innen abgewinkelt werden, also paralleler zum
Aktor 58 verlaufen. Damit wird die Leiste 40 nach
oben bewegt, so daß auch der Steg 42 und damit
das Deckband 46 radial nach außen gezogen werden.
Umgekehrt, bei Verkürzung des Piezoelements in Axialrichtung,
wird das Deckband 46 an dieser Stelle radial nach innen
gedrückt. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich
durch die Umlenkkinematik eine Übersetzung von der axialen
Ausdehnung in die schließlich radial wirkende Bewegung
der Leiste.
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Zu
betonen ist für alle Ausführungsformen, daß durch
abschnittsweises Drücken oder Ziehen des Deckbandes 46 dieses
in Zwischenabschnitten auch eine Umfangsbewegung macht. Hiermit
läßt sich der Spalt sehr gut und schnell an die
Erfordernisse im Betrieb anpassen.
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Bei
der Ausführungsform nach den 2 bis 5 sind
vorzugsweise die Stirnseiten des ACCSystems ebenso geschlossen wie
nach 6 oder 7, d. h., die Aktoren 48 ragen
nicht aus den Gehäusewänden heraus wie in 5 dargestellt, sondern
sind in einer Art Kammer untergebracht, wie in 6 oder 7 gezeigt.
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Ein
vom Bypaßstrom abgezweigter Kühlmittelstrom F
kann radial außerhalb der Umfangswand 32 durch
die einzelnen Kammern 38 in Axialrichtung hindurchströmen
und die Aktoren 40 kühlen. Dies ist auch bei der
Ausführungsform nach den 2 bis 5 möglicht.
Der Kühlmittelstrom wird im übrigen auch wieder
in den Bypaßstrom eingeleitet. Ein Kühlluftverbrauch
aus dem Gasstrom, das heißt aus dem Verdichterbereich,
ist nicht vorgesehen.
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Durch
die thermische Trennung von Aktoren und innenliegendem Gasstrom
ist es möglich, die Aktoren auf Temperaturen unter 400°C,
insbesondere unter 250°C zu halten.
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Das
dargestellte ACC-System kann sowohl im Verdichter- als auch im Turbinenbereich
angewandt werden.
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- 10
- Einlaufdiffusor
- 12
- Verdichter
- 14
- Brennkammer
- 16
- Turbine
- 18
- Schubdüse
- 20
- Gehäuse
- 22
- Laufschaufel
- 24
- Leitschaufel
- 26
- Schaufelspitze
- 28
- Spalt
- 30
- Nabe
- 32
- Umfangswand
- 34
- Umfangswand
- 36
- Rippe
- 38
- Kammer
- 40
- Leiste
- 42
- Steg
- 44
- Öffnungen
- 46
- Deckband
- 48
- Aktor
- 50
- Zwischenleiste
- 52
- Stirnwand
- 54
- Rahmen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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