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 verringer- ten Wirkungsgrad dar. Die Strömungsveriuste entstehen zum einen durch Wirbelbildung und Strömungsablösung im oder am Rotorspalt, was auch zu einem erhöhten Strö- mungslärm führt, zum anderen durch eine Ausgleichsströmung, die entgegen der Hauptströmungsrichtung durch den Rotor gerichtet ist und die erreichbare Druckdiffe- renz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Strömungsmaschine beschränkt.

Bei einer idealen veriustfreien 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 da- mit verschleißen würden. Besonders ausgeprägt ist dieses Problem bei Strömungsma- schinen, bei denen die Rotoren mit hoher Drehzahl umlaufen und/oder mit hohen Tem- peraturen beaufschlagt sind, wie beispielsweise bei Flugzeugtriebwerken und Gasturbi- nen sowie bei Abgasturboladem. Bei derartigen Strömungsmaschinen fängt sich das Rotorblatt abhängig von der Temperatur und von der Drehzahl. Zusätzlich weitet sich das Gehäuse in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur. Durch den Rotorspalt 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 elngestelll, dess In elnem Dauerbe- triebspunkt, be) dem die Strömungsmaschine in der Regel betrieben wird, ein möglichst kleiner Rotorspalt vorliegt. Bei Flugzeugtriebwerken oder bei Abgasturboladern liegt die- ser Dauerbetriebspunkt beispielsweise be der Reisegeschwindigkeit. Gleichzeitig wer- den bel der Bemessung des Rohrspalts In der Praxis Grenzlastbereiche und Anlaufbe- reiche der Strömungsmaschine berücksichtigt : Der Rotorspalt soll so bemessen sein, dass auch unter Extrembedingungen bol hinnehmbaren Strömungsveriusten Beschädi- gungen von Rotorblatt und Gehäuse vermieden werden.

In der Praxis wird also zugunsten eines möglichst guten Wirkungsgrädes 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 Rotorspaitweite, bei der Verschleiß und Strömungsverluste minimal sind, zu erzie- len, 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 auf- wärmen, durch eine Veränderung der Rotorspaltweite verringert wird. Die dort beschrie- bene Vorrichtung ändert den Rotorspalt passiv über die Wärmedehnung von Steuerele- menten 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 Wärmeausdeh- nung der Rotorblätter bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen übereinstimmt. Der Nachteil dieses passiven Systems liegt darin, dass der Rotorspalt lediglich an die Wär- meausdehnung, aber nicht an die in der Praxis genauso wichtige Längung der Rotor- blätter unter Wirkung der Fliehkraft angepasst werden kann. Außerdem ist die An- sprechzeit dieses Systems sehr langsam.

Die Ansprechzeit und auch die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Weite des\'Rotor- 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 Ilegt in der nach wie vor langsamen Ansprechzeit, da zu einer Änderung des Luftspalts zunächst das Gehäuse auf eine vorbestimmte Temperatur ge- bracht 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 ei- ne direktere Steuerung des Rotorspaltes zu erreichen, worden beim System der US 5,104,287 und der US 5,096,375 mechanisch bewegte Gehäusesegmente gegenüber- liegend den Rotorblättem eingesetzt. Die Gehäusesegmente sind zu einem Ring zu- sammengeschlossen 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 errnöglichen so eine gemeinsame und zeitgleiche Verstellung der Gehäusesegmente und damit eine Einstellung des Rotorspaltes. Nach- teilig bei dieser Vorrichtung ist-zum einen der enorme konstruktive und fertigungstechni- sche Aufwand, der notwendig wird, wenn eine nahezu spielfreie Verstellung der Seg- mente 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 Radialer- dichter beschrieben, bei welcher der Rotorspalt über eine Verschiebung des Rotors ge- genüber 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 Rotor- blättern beschrieben, der durch piezoelektrische Elemente zusammenziehbar und auf- weitbar ist. Über Näherungssensoren wird die Weite des Rotorspalts zwischen Rotor- blattspitzen und Gehäusesegmenten bestimmt und die zwischen dem Segmentring. Die stationären, an einer gehäuseseitigen Halterung angeordneten Piezoelemente werden dann in Abhängigkeit vom gemessenen Rotorspalt mit einer Spannung beaufschlagt, so dass aufgrund der Elektrorestriktion 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 liegt in der mangelnden Stabilität des Segmentrings, da dieser ausschließlich von den piezoelektrischen Elementen gehalten wird.

Weitere Vorrichtungen zur RotorspalteWnstellung 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 ge- genüber den Rotoren einen Ring mit einer dünnen, biegsamen Wand aufweist. Hinter der dünnen Wand sind ringförmige Druckkammern angeordnet, die mit unterschiedli- chen Drücken beaufschlagt werden können. Überschreitet der Druck in den Druckkam- mern den Druck in der Axialströmungsturbine, so wölbt sich die Wand kontrolliert vor und verkleinert den Rotorspalt. Die Druckkammern werden dabei so mit Druck beauf- schlagt, dass sich der Rotorspalt in Strömungsrichtung verkleinert.

Bei der Gasturbine der US 4,683,716 wird die Gehäusewand mitsamt mehreren Reihen von Statorschaufeln Ober mehrere Verdichterstufen hinweg pneumatisch verstellt. Hier- zu ist eine Druckkammer hinter der Gehäusewandung vorgesehen, die sich über mehre- re Rotor-und Statorreihen erstreckt. Durch Zuführen von niedrigem Druck oder hohem Druck in die Druckkammer wird vermieden, dass sich die Rotorschaufeln bei Anlaufvor- gängen an der Gehäusewandung reiben.

Bei der US 5,211,534 wird der Rotorspalt ebenfalls pneumatisch verstellt. Ein aus radial verschieblichen Ringsegmenten zusammengesetzter Dichtring um den Rotor wird unter Einwirkung von Druckluft auf die starren Ringsegmehte zusammengezogen oder ge- weitet wird.

Auch die Vorrichtung der US 5,781,333 weist Gehäusesegmente auf, die über eine Be- aufschlagung von Druckkammem mit Druckluft in Richtung der Rotorblätter bewegt wer- den. Um das Ansprechverhalten zu erhöhen, ist die Druckkammer mit Entiüftungsventi- [en 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 Dichtscheibe anordnen, ohne in Kontakt mit der Dichtscheibe zu kommen, wenn sich die Dichtscheibe dreht. Hierzu Ist die Dichtflä- che als ein Magnetring ausgebildet, der In Umfangsrichtung sich abwechselnde, unter- schiedlich polarisierte Bereiche aufweist. Diese Bereiche erzeugen bel Drehung des Magnetringes einen magnetischen Fluss, dessen Stärke von der Drehgeschwindigkeit des Magnetringes abhängt. Die Dichtelemente 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 Dichtspaltes zu reagieren. Allerdings geht aus der US 6,142,477 nicht hervor, wie dieses System zur Einstellung eines Rotor- spaits verwendet werden kann, da für die Funktion dieses Systems an der einen, den Dichtelementen gegenüberliegenden Gegendfchtftäche stets ein durchgängiger Magne- tring nötig ist.

Zusammengefasst ist also aus dem oben genannten Stand der Technik keine Vorrich- tung 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 Ansprechverhalten erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch das Rötorspalt-Steuermodul der eingangs genannten Art er- findungsgemäße dadurch gelöst, dass die Abmessung des Dichtelementes in Drehrich- tung kleiner als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter ist.

Diese Lösung ist einfach und aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Sämtliche oben genannten Druckschriften weisen kreissegmentförmige Dichtelemente auf, deren Ab- messungen in Drehrichtung größer als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotor- blätter 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 herkömmli- chen, 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 ver- mieden : Durch die erfindungsgemäßen Abmessungen des Dichtelements sind die be- wegten Massen des Dichtelements kleiner und können wesentlich schneller bewegt werden.

Die erFindungsgemäße Lösung sieht dabei vor, dass die Abmessungen des Dlchtele- ments in Drehrichtung wesentlich kleiner als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter sind. Vorzugsweise sind d (a Dichtelemente so groß, dass eine Vielzahl von Dichtelementen in den Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorblätter hineinpasst.

Eine weitere Beschleunigung des Ansprechverhaltens kann dadurch erreicht werden, dass in einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung die Abmessungen des Dichtele- mentes in Hauptströmungsrichtung höchstens der Schaufeltiefe eines Rotorblatts in Hauptströmungsrichtung entsprechen. Durch diese Maßnahme werden die bewegten Massen nochmals verringert. Die Dichtelemente sind dabei vorzugsweise so bemessen, dass eine Mehrzahl von Dichtelementen über eine Schaufeltiefe, also in Dichtrichtung, gestaffelt angeordnet werden können. Da bei den meisten Rotoren der größte Druck- sprung in Hauptströmungsrichtung stattfindet, entspricht die Dichtrichtung in den mei- sten Fällen der Hauptströmungsrichtung.

Eine sehr präzise und schnelle Anpassung des Rotorspalts ist dann möglich, wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaftung die Dichtelemente möglichst einzeln ange- steuert werden können, also einer Aktuatoreinheit so wenig Dichtelemente wie möglich zugeordnet sind.

Zu Wartungszwecken soll das Rotorspalt-Steuermodul einfach auszutauschen sein, oh- ne dass bei die gesamte Strömungsmaschine zerlegt werden muss. Dies ist dann erfüllt, wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Abmessung des Rotorspait- Steuermoduls in Drehrichtung des Rotors kleiner als derAbstand zweier aufeinanderfol- gender Rotorblätter ist. Kompakte Einbaumaße werden auch dann erzielt, wenn die Abmessung des Rotorspalt-Steuermoduls in Hauptströmungsrichtung höchstens der Schaufeltiefe des Rotorblatts in Hauptströmungsrichtung entspricht.

Ein Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, im Gegensatz zu den herkömmli- chen Rotorspalt-Steuerrnodulen eine möglichst große Anzahl von Dichtelementen im Rotorspalt vorzusehen. Durch die Vielzahl der Dichtelemente Im Rotorspalt tritt durch die Gesamtwirkung aller Dichtelemente eine gute Abdichtung des Rotorspalts ein. Somit kann auf eine aufwändige Abdichtung von Spalten und Lücken zwischen den Dichtele- menten verzichtet werden.

In einer Weiterbildung können die Dichtelemente voneinander beabstandet angeordnet sein. Dabei können allerdings auch mehrere Dichtelemente mit einem gemeinsamen Hüllkörper versehen sein, der zwischen den Dichtelementen und dem Rotor angeordnet ist und zusammen mit den Dichtelementen beweglich ist. Der Hüiikörpor kann aus ei- nem Material mit besonderen mechanischen Eigenschaften gefertigt sein, beispielswei- se aus einem abriebfesten, hochtemperaturbeständigen und/oder weitgehend reibungs- freien Material, um die Dichtelemente zu schützen.

Die Dichtelemente können insbesondere dann ohne Verluste in der Dichtwirkung von- einander beabstandet angeordnet sein, wenn sie gestaffelt, sich in Hauptströmungs- richtung überlappend angeordnet sind. Hierzu können die Dichtelemente in Hauptströ- mungsrichtung in mehreren Reihen angeordnet sein. So werden die Lücken zwischen Dichtelemente in der einen Reihe durch die Dichtelemente in der anderen Reihe ge- schlossen. Die Dichtwirkung bei dieser Anordnung beruht auf der Schaffung eines La- byrinths"zwischen den Dichtelementen, durch das der Strömungswiderstand im Rotor- spalt erheblich erhöht wird. Damit ist eine Dichtwirkung erzielbar, die an die von ge- schlossenen Dichtflächen, wie-sie 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 Überdruckquelle ver- bundene Überdruckkammer und/oder eine mit einer Unterdruckquelle verbundene Un- terdruckkammer aufweisen, um der Aktuatorkammer ohne lange Wege sofort entspre- chende Steiidrücke für das oder die der Aktuatorkammer zugeordnete Dichtelement oder Dichtelemente zuzuleiten. Auf separate Mittel zur Erzeugung des Unterdrucks und des Überdrucks, wie beispielsweise Pumpen, kann in vorteilhafter Weise verzichtet wer- den, wenn die Überdruckkammer mit einem Hochdruckbereich der Strömungsmaschine als Überdruckquelle und die Unterdruckkammer mit einem Niederdruckbereich der Strömungsmaschine als Unterdruckquelle verbunden ist. In diesem Zusammenhang be- ziehen sich dle Begriffe nUnterdruck"und nÜberdruck"auf den Im Berelch des Rotors herrschenden Druck.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Überdruckkammer von der Unter- druckkammer zumindest abschnittsweise umgeben sein. Da In der Überdruckkammer stets heißeres Fluld vorhanden ist als in der Unterdruckkammer, wird durch diese An- ordnung eine zu starke Aufheizung des Rotorspalt-Steuermoduls vermieden.

Zur wechselweisen Beaufschlagung der Aktuatorkammer mit Überdruck bzw. Unter. druck kann die Aktuatoreinheit wenigstens ein Ventil aufweisen, das zwischen der Ak- tuatorkammer 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 Betä- tigung des Dichtelements.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Dichtelement eine elasti- sche Membran als Dichtfläche auf, die in einem vorgewölbten, blasenförmigen Zustand in den Rotorspalt hineinragt und diesen zumindest abschnittsweise abdichtet. Bei dieser Ausführung bilden die Dichtelemente einzelne Blasen, die sich zur Verkleinerung des Rotorspaltes aufwölben und zur Vergrößerung abflachen. Diese Ausgestaltung ermög- licht einen großen Hub der Dichtelemente, also die Abdichtung großer Spaltmaße, ohne große Verstellkräfte.

Die Membran steht mit der Aktuatorkammer so in Wirkverbindung, dass der in der Ak- tuatorkammer 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 Rotor- spalt, 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 Eigenelastizität 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 Eingangsschnittstelfe vorgesehen sein, über die im Betrieb des Rotorspait-Steuermoduis Signaie zur Betätigung des Dichtelements an die Aktuatorein- heit geleitet sind.

Das Rotorspalt-Steuermodul kann außerdem ehe 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 Signalausgangs- schnittstelle 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 Strö- mungsmaschine 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 Rotor- spalt-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 Si- gnale der Sensoren der Sensoreinheit von der Steuereinheit empfangen werden kön- nen. Die Ausgangsschnittstelle der Steuereinheit ist mit der Eingangsschnittstelle der Aktuatoreinheit datenübertragend verbunden, so dass die Ergebnisse einer Auswertung der Daten von den Sensoren der Sensoreinheit in Form eines Betätigungssignals für das Dichtelement an die Aktuatoreinheit ausgegeben werden können.

Die Datenverarbeitungseinheit verarbeitet die Ober die Ausgangsschnittstelle ausgege- benen Daten In Abhängigkeit von den über die Elngangsschnittstelle empfangenen Da- ten und erzeugt ein Slgnal zur Betätigung der Aktuatorelnheit bzw. der Dichtelemente.

Sämtliche Datenleitungen können dabei vorteilhaft in Form eines unidirektionaten oder bidirektionalen Datenbusses aufgebaut sein.

Ferner kann die Steuereinheit einen Datenbus aufweisen, über den sie mit Steuerein- heiten 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 funktionellen Schichten. Beispiele für geeignete Werkstoffe sind Silicium, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid und Siliciumnitrid.

Mikrostruktursysteme werden durch photolithographische Verfahren, wie LIGA, durch Bulk-Micromachining und Surface-Micromachining, Dünnfilmablagerung (chemical vapor deposition) und Ätzen aus Wafern hergesgtellt. Beim Aufbau des Rotorspalt- Steuermoduls als Mikrostruktursystem kann insbesondere eine als Dichtelement die- nende Membran aus einem dünnen Film siliciumhaltigen Werkstoffes, beispielsweise Si- liciumcarbid, gefertigt sein, Bei extrem dünner Ausbildung der Membran weist Silicium- carbld eine ausreichende Elastizltät auf. Ebenso können die Mikroventile aus einem sili- clumhaltigen Werkstoff gefertigt und in das Mikrostruktursystem integriert sein.

Vorteilhaft werden bei der Ausbildung des Rotorspalt-Steuermoduls als Mikrostruktursy- stem auch gleich die Steuereinheit und/oder die Sensoreinheit in das Mikrosystemele- ment integriert.

Um eine nachträgliche Ausrüstung und e (ne leichte Austauschbarkeit des Rotorspait- Steuermoduls zu ermöglichen, wefst d ! eses vorzugsweise efn standardisiertes Gehäuse auf, das mit standardislerten Anschlüssen für Daten-und Druckleitungen versehen ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Gehäuse mit tsoiiermaterta ! zum Schutz gegen Überhitzung und/oder Schwingungen und Stöße umgeben sein.

Erfindungsgemäß 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 Rotor- spaltmodule können miteinander durch eine Signalleitung verbunden sein, so dass ihre Betätigung synchronisiert erfolgt. Beispielsweise können mehrere Rotorspalt- Steuermodule so vernetzt sein, dass ein in Umfangsrichtung nachfolgendes Rotorspalt- Steuermodul die Sensorsignale eines im Drehrichtung davor liegenden Rotorspalt- Steuermoduls zur Steuerung der eigenen Dichtelemente verwendet.

Außerdem kann die Sensorik der Rotorspalt-Steuermodule zur Funktionskontrolle der Strömungsmaschine eingesetzt werden, da von den Modulen wichtige Betriebsparame- ter 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 vorbei- fahrenden Rotorblattspitzen erfasst und ein Signal ausgibt, das repräsentativ für die Frequenz und/oder Amplitude der Schwingungen der Rotorblattspitzen oder der Rotor- blätter ist. Hierzu kann der Sensor ein optisches Messelement und/oder ein kapazitives Messelement aufweisen. Alternativ kann der Sensor auf Ultraschallbasis arbeiten und einen Ultraschallwandler aufweisen. Belspielsweise 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- element einstückig mit dem Rotorspalt-Steuormodul ausgebildet und/oder beispielswei- se 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 Rotorspait-Steuermodu) otn Funk- sender und bei einem bidirektlonalen Datenbus auch ein Funkempfänger vorgesehen sein. Insbesondere die Übertragung von Betriebsparametern des Rotorspalt- Steuermoduls über eine Funkstrecke ermöglicht eine einfache Steuerung und Auswer- tung 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 Über- wachung anderer Bauteile als den Rotorblättem eingesetzt werden. Beispielsweise las- sen sich die Schwingungen von Wellen, Statorblättern und Gehäuseelementen sowie gegebenenfalls auch die Schwingungen der Dichtelemente selber durch die Schwin- gungssensoren erfassen.

Die Rotorspait-Steuermoduie. 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 Dichtelemente 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 Dichtelemente gekoppelt und schützt diese durch seine Lage zwischen den Dichtelementen und dem Rotor vor Be- schädigung. Der Hüiikörper kann insbesondere ais eine abriebfeste Membran ausgebil- det 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 Strömungsma- schinen können die erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermodule auch als Dichtmodule bei im wesentlichen durchgängigen Gegendichtflächen, wie beispielsweise zur Abdich- tung von Wellen verwendet werden. Durch die Möglichkeit der aktiven Einstellung des Dichtspaltes oder der Anpresskraft gegen die Gegendichtfläche und durch das schnelle Ansprechverhalten können Schwingungen und Exzentrizitäten der Welle ausgegllchen werden, ohne dass Einbußen bei der Dichtwirkung in Kauf genommen werden müssen.

Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen Rotorspalt- Steuermoduls anhand eines Ausführungsbeispiels 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 In-in der Fig. 1 ; Fig. 3 das Rotorspalt-Steuermodul der Fig. 2 in einem Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2 ; Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorspalt- Steuermoduls in einer Ansicht entsprechend Fig. 3 ; Fig. 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 Ider Lfnie VII-VII 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 Axiafgebläse, Turbolader, Gastur- binen, Pumpen und Kompressoren.

Alte diese Strömungsmaschinen werden von einem gasförmigen oder flüssigen Fluid in einer Hauptströmungsrichtung 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 Flugzeugtrieb- werk, weist eine Reihe von Rotoren R auf, die von jeweils einem Gehäuse G unter Aus- bildung 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 Bezugszeichen 2 entsprechen dabei einer gehäuseseitigen Anordnung eines Rotorspaltmoduls, diejenigen mit dem Bezugs- zelchen 3 einer rotorseitigen Anordnung eines Rotorspaltmoduls.

In Fig. 2 ist schematisch der Querschnitt entlang der Linie II-II 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 Verdlchterstufe Rotorblätter 5 auf, die in einem vorbestimmten Abstand T zueinander angeordnet sind. Die Rotorblätter drehen sich in Drehrichtung 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 Rotorblättem 5 zugewandte Seite umgibt.

Das Gehäuse 7 ist aus einem wärmeisolierenden und vorzugsweise auch schwin- gungsisolierenden Werkstoff aufgebaut. Durch das Gehäuse 7 ist das Rotorspait- 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 Mi- krostruktursystem aus Silicium oder einer Siliciumverbindung, wie Siliciumnitrid oder Si- liciumcarbid, hergestellt. Zur Herstellung können herkömmliche Verfahren der Mi- krostrukturtechnik, wie LIGA, Micromachining, Ätzvorgänge usw. verwendet werden.

Das Rotorblatt-Steuermodul 6 weist Dichtelemente 8 auf, die so ausgebildet sind, dass sie In einer Betriebsstellung In den Rotorspalt S ragen. Die Dichtelemente 8 sind In Drehrichtung D des Rotors 5 wesentlich kleiner als der Abstand T zwischen zwei Rotor- blättern. Die Dichtelemente 8 werden aus einer dünnen Membran aus Silicium oder ei- nem 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 Aktuatorkammern 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 Dichte- lemente 8 präziser ansteuern.

Die Dichtelemente 8 bilden zusammen keine kontinuierliche Dichtfläche, die der Um- laufbahn U der Rotorblattspitzen 12 entspricht, sondern diskrete Dichtflächen, die von- einander beabstandet sind und mit den Rotorblattspizen als Gegendichtflächen zusam- menwirken. Die Dichtelemente 8 sind, wie in Fig. 2 zu erkennen ist, in mehreren Reihen gestaffelt angeordnet, so dass.. der 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, Aktua- toreinheit des Rotorspalt-Steuermodufs, 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 sysfems) Mikroventile, die in einem Stück mit dem Rotorspalt-Steuermodul gefertigt werden.

Die Ventile 13 öffnen auf ein Signal hin die Verbindung zwischen jeweils einer Aktuator- kammer 10 und der Druckkammer 14, so dass sich in der Aktuatorkammer 10 der je- weils 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 ver bunden werden kann.

Wie In Fig. 2 zu erkennen ist, ist es aufgrund der geringen Größe der Mikrostrukturefe- mente nicht notwendig, ihre dem Rotorspalt S zugewandte Fläche 16 kreissegmentför- mig auszubilden. Aufgrund der geringen Baugröße der Rotorblatt-Steuermodule in Dreh- richtung wird bei geringen Herstellkosten bereits eine gute Annäherung an die Umlauf- bahn U der Rotorblattspitzen 12 erreicht. Es ist jedoch eine kreissegmentförmige Aus- gestaltung der Fläche 16 möglich.

In Fig. 2 ist weiter der modulförmige Charakter des Rotorspalt-Steuermoduls zu erken- nen. 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 m-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 Rotorspaits S führt. Einer Rotorblattspitze 12 als Gegendlchtfläche sind bei ihrer Umdrehung jeweils mehrere Dichtelemente zugeordnet.

Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, sind jeweils zwei in Hauptströmungsrichtung H hinterein- ander angeordnete Dichtelemenfe 8 mit einer Aktuätorkammer 10 verbunden. Jede die- ser Aktuatorkammem ist über ein Mikroventil 13 mit der Druckkammer 14 verbunden.

In der Fig. 3 sind die Membranen der Dichtelemente 8 in unterschiedlich in den Rotor- spalt S ausgefahrener Stellung dargestellt. Diese Stellungen entsprechen nicht einem tatsächlichen Betriebszustand, sondern dienen ledigilch der Veranschaulichung der Be- wegung der Dichtelemente 8, die durch ein blasenförmiges Aufblähen der elastischen Membran entsteht.

Wie In Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Reihen der Dichtelemente 8 bzw. Dichtblasen ge- staffelt angeordnet, so dass eine durch das Feld der Dichtelemente 8 gerichtete Strö- mung auf einen sehr hohen Strömungswiderstand trifft, der die Dichtwirkung der Dich- elemente begründet. Zur Erhöhung der Dichtwirkung können auch mehrere Ringe aus Rotorspalt-Steuermodulen vorhanden se (n. Diese Ringe können relativ zueinander In Umfangsrichtung verschoben sein, so dass das Rotorspalt-Steuermodul des einen Rin- ges den Spalt zwischen zwei Rotorspalt-Steuermodulen des anderen Ringes überdeckt.

Wie in Fig. 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 Rotorspalt 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 opti- scher oder kapazitiver Basis, vorzugsweise als berührungsfrei arbeiten.

In der Sensoreinheit 20 ist des weiteren ein Schwingungssensor (nicht gezeigt) inte- griert, der auf optischem, kapazitivem oder akustischem (Ultraschall) Wege die Schwin- gungen der Rotorblätter R und/oder der Rotorblattspitzen 5 erfasst. Es können alternativ auch Schwingungssensoren zur Erfassung von Gehäuseschwingungen, von Naben- oder Weilenschwingungen sowie von Schwingungen des Dichtelements selber vorgese- hen sein.

Die Sensoreinheit 20 ist mit einer Ausgangsschnittstelle versehen, über welche die je- weiligen Sensoren Signale, die repräsentativ für die von ihnen jeweils erfassten Mess- größen sind, über eine Datenleitung 21 ausgeben. Die Datenleitung 21 ist mit einer Ein- gangsschnittstelle der Steuereinheit 19 verbunden. Dfe Steuereinheit 19 verarbeitet dfe von der Sensoreinheit 20 empfangenen Daten und gibt über eine Ausgangsschnittstelle Ausgangsdaten In Abhängigkeit von den Eingangsdaten und in einem Speicher abge- speicherten 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 so- wie 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 Energie- quelle, die Aktuatoreinheit mit den Mikroventilen, die Steuereinheit 19 und die Sen- soreinheit 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 berührüngsfrei 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 Funkübertra- gungsstrecke zu ermöglichen, ist die Steuereinheit 20 mit einem Funkempfänger verse- hen.

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 Druckkammem 24, 25 auf, wobei die eine Druckkammer 24 eine mit einem Druck P, beaufschlagte Überdruckkammer und die Kammer 25 eine mit einem Unter- druck P2 beaufschlagte Unterdruckkammer ist. Der Druck P, ist größer als der Druck PR im Bereich des Rotorspalts. Der Druck P2 ist kleiner als der Druck PR. Beim Ausfüh- rungsbeispiei 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 Ak- tuatorkammer 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 Rotor- spaltes herrscht. Die Unterdruckkammer 25 dagegen Ist mit einem Bereich der Strö- mungsmaschine verbunden, der beim normalen Betrieb der Strömungsmaschine mit ei- nem 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 Mi- kroturbine 30 findet eine stetige Ausgleichsströmung zwischen der Überdruckkammer 24 und der Unterdruckkammer 25 statt, welche die Mikroturbine antreibt und zur Erzeu- gung von Energie für die Steuereinheit 19, die Sensoreinheit 20 und die Mikroventile 13 beiträgt oder die Energieversorgung des Rotorspalt-Steuermoduts alleine bewerkstelligt.

Zur Energieerzeugung kann die Mikroturbine 30 mit einem magnetischen Rotor 31 ver- sehen 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 Wir- kungsgrad 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 Unterschie- de 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 Aus- führungsbelspielen besteht darin, dass mehrere Dichtelemente 8 jeweils von einem Hüllkörper 35 umgeben sind, der aus einem abriebfesten Material besteht. Der Hüllkör- per 35 schützt die Dichtelemente 8 vor einer Berührung mit der Rotorblattspitze 12.

Unabhängig vom Hüftkörper 35 besteht ein weiterer Unterschied des dritten Ausfüh- rungsbeispiels 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 Rotorspait-Steuermodul 6 der Fig. 5 weist außerdem kein Gehäuse 7 auf, sondern ist als Mikrostrukturblock bereits in der entsprechenden standardisierten Form aufgebaut.

Im Folgenden wird die Funktion des erfindungsgemäßen Rotorspalt-Steuermoduls an- hand 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 Daten- leitung 21 an die Steuereinheit 19 weiter. Die Steuereinheit 19 vergleicht diesen Mess- wert mit einprogrammierten Schwellenwerten und gibt in Abhängigkeit von diesem Ver- gleich ein Ausgangssignal über die Datenleitung 22 an die Aktuatoreinheit mit den Mi- kroventilen 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 be- deutet dies, dass der Rotorspalt zu klein ist und demzufolge die Dichtelemente 8 aus dem Rotorspalt hinausbewegt werden müssen. Hierzu sendet die Steuereinheit 19 Si- gnale 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 Schwel- lenwerte in der Steuereinheit 19 abgelegt sein, die in einer Weiterbildung in Abhängig- keit von den in der Strömungsmaschine gerade vorherrschenden Betriebsparametern zur Einstellung des für diese Betriebsparameter optimalen Rotorspalt verwendet wer- den.

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 Rotorspaltbreite erreicht wird, so wird das geöffnete Mikroventil 13 wieder geschlossen und der Druck in der Aktuatorkammer konstant gehalten.

Liegt dagegen der vom Spaltsensor gemessene Wert des Rotorspalts oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwert, so bedeutet dies, dass der Rotorspalt S zu groß ist. Folg- lich öffnet die Steuereinheit 19 die Mikroventile 13, welche die Aktuatorkammer 10 mit der Überdruckkammer 25 verbinden. Dadurch erhöht sich der Druck in der Aktuator- kammer 10, und die Membranen der Dichtelemente weiten sich unter dem Druckeinfluss und bilden eine Dichtblase. Die Dichtelemente dehnen sich in Richtung des Rotorspaltes aus und verkleinern den Spalt. Wenn der gemessene Wert des Rotorspalts wieder in- nerhalb 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 be- schränkt, 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 Rotärspalts durch ein aus- tauschbares Modul erreicht.

Diese Funktionalität wird ergänzt durch die Möglichkeit der Überwachung von Bauteilen der Strömungsmaschine durch weitere Sensoren, wie beispielsweise dem Schwin- gungssensor. 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 Strö- mungsmaschine 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 Verfeine- rung der Steuerung zur Verfügung gestellt werden können.

Die einfache Steuerungslogik und die kleinen bewegten Massen der erfindungsgemä- ßen Rotorspalt-Steuermodule ermöglichen ein Ansprechverhalten, das Im Bereich der Blattfrequenz des Rotors liegt, so dass es möglich ist, den Rotorspalt an einzelne Rotor- blätter anzupassen. in den Figuren 6 und 7 ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Rotorspalt- Steuermodule in einer der obigen Ausgestaltungen als Wellendichtmoduf gezeigt.

Fig. 6 zeigt einen Axialschnitt durch die Welle und die Dichtmodule.

Wie beim Rotorspalt-Steuermodul, so können auch bei der Verwendung als Wellen- dichtmodu mehrere Reihen von Rotorspalt-Steuermodulen hintereinander angeordnet werden. Der einzige Unterschied zum Rotorspalt-Steuermodul besteht darin, dass die Gegendichtfläche bei dieser Anwendung im wesentlichen durchgängig ist.

Durch die gestaffelte Anordnung der Dichtelemente 8 ist eine gute Abdichtung gegen die Wellenoberfläche 40 erreichbar.

Um eine Abdichtung auch im Übergangsbereich zwischen zwei in Umfangsrichtung auf- einanderfolgenden Dichtmodulen zu erreichen, sind die Dichtmöduie gestaffelt angeord- net, 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 Dichtelemente 8 verwendet, so können die Dich- elemente 8 die Wellenoberfläche 40 auch direkt berühren. Durch den Aufblasdruck in der Membran wird auf diese Weise die Anpresskraft der Dichtelemente auf die Gegen- dichtfläche geregelt.

In Fig. 7 ist ein Wellendichtmodul mit dem Aufbau des Rotorspalt-Steuermoduls der Fig.

5 in einem Axialschnitt entlang der Linie VIT-VIT 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 Dichtmodulen ausgebildet sind, die analog zu elnem Rotorspalt-Steuermodul ausgebildet sind. Auch hier besteht die Dichtfläche aus einer Vielzahl von diskreten Flächen und beruht die Dichtwirkung auf ei- ner Erhöhung des Strömungswiderstandes bei einer Bewegung von Ftuidteifchen durch die Dichtelemente hindurch.

Das schnelle Ansprechverhalten der Dichtmodule erlaubt eine gute Abdichtung auch bei einer Exzentrizität oder bei Biegeschwingungen der Welle, da die Dichtelemente, wie oben am Beispiel der Rotorspaltsteuerung ausgeführt, sofort auf eine Bewegung der Welle und damit einer Änderung des Dichtungsspaltes reagieren.