Turbomaschine

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6 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 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 elektro-mechanische Aktuatoren ausgeführt. Die Anordnung der elektro-mechanischen Aktuatoren, die auf die Segmente der radial innenliegenden Gehäusewand bzw. des Mantelrings einwirken, nimmt relativ viel Bauraum in Anspruch, wodurch sich die Gesamtabmessungen der Turbomaschine vergrößern.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Turbomaschine mit Active Clearance Control zu schaffen, die geringere Abmessungen aufweist.

Dieses Problem wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Hiernach ist der Mantelring von einer als überwurfring ausge-

bildeten Stelleinrichtung konzentrisch umgeben, wobei sich gegenüberliegende Flächen des Mantelrings und der Stelleinrichtung kegelstumpfförmig konturiert sind, und wobei zwischen dem Mantelring und der Stelleinrichtung in Radialrichtung und in Umfangsrich- tung gegenüber der Axialrichtung schräg angestellte, zylindrische Wälzkörper positioniert sind, sodass die Stelleinrichtung gegenüber dem Mantelring unter gleichzeitiger Einstellung des Spalts verdrehbar ist.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 6 gelöst. Hiernach ist der Mantelring von einer als überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung konzentrisch umgeben, wobei sich gegenüberliegende Flächen des Mantelrings und der Stelleinrichtung zylindrisch konturiert sind, wobei zwischen dem Mantelring und der Stelleinrichtung klemmkörperartige, nicht-zylindrische Wälzkörper positioniert sind, die abhängig von ihrer Drehposition eine abweichende Radialerstreckung aufweisen, und wobei die Stelleinrichtung gegenüber dem Mantelring unter gleichzeitiger Einstellung des Spalts verdrehbar ist.

Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 11 gelöst. Hiernach ist der Mantelring von einer als überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung konzentrisch umgeben, wobei sich gegenüberliegende Flächen des Mantelrings und der Stelleinrichtung derart konturiert sind, dass eine der Flächen zylindrisch und die andere der Flächen rampenartig konturiert ist, und wobei zwischen dem Mantelring und der Stelleinrichtung zylindrische Wälzkörper positioniert sind, sodass die Stelleinrichtung gegenüber dem Mantelring unter gleichzeitiger Einstellung des Spalts verdrehbar ist.

Die erfindungsgemäßen Konzepte eines Active Clearance Control an einer Turbomaschine kommen mit relativ geringem Bauraum aus, so dass sich die Gesamtabmessung einer Turbomaschine nur geringfügig vergrößert. Bedingt durch den relativ einfachen konstruktiven Aufbau ist die Turbomaschine darüber hinaus auch verschleißunanfällig. Ferner werden nur geringe Verstellkräfte benötigt, um die ringartige Stelleinrichtung gegenüber dem Mantelring zur Einstellung des Spalts zu verdrehen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die

beteiligten Baugruppen vorwiegend auf Zug und Druck beansprucht werden, jedoch keiner oder nur einer geringen Biegebeanspruchung ausgesetzt sind.

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 ein stark schematisiertes Detail einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ein stark schematisiertes Detail einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem zweiten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung; und Fig. 3 ein stark schematisiertes Detail einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem dritten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, wie z.B. ein Gasturbinenflugtriebwerk. Derartige Turbomaschinen verfügen über mindestens einen Verdichter, mindestens eine Brennkammer sowie mindestens eine Turbine, wobei sowohl im Bereich des oder jeden Verdichters als auch im Bereich der oder jeder Turbine ein Stator sowie ein Rotor vorhanden ist.

Der Rotor eines Verdichters bzw. einer Turbine umfasst mehrere rotierende Laufschaufeln. Der Stator eines Verdichters bzw. einer Turbine umfasst ein Gehäuse sowie mehrere feststehende Leitschaufeln. Die dem Rotor zugeordneten Laufschaufeln rotieren gegenüber dem feststehenden Gehäuse und den feststehenden Leitschaufeln des Stators, wobei die Leitschaufeln Leitschaufelkränze und die Laufschaufeln Laufschaufelkränze bilden. Zwischen zwei in Durchströmungsrichtung hintereinander angeordneten Leitschaufelkränzen ist dabei jeweils ein Laufschaufelkranz positioniert.

Sowohl im Bereich des oder jedes Verdichters sowie im Bereich der oder jeder Turbine einer Turbomaschine ist zwischen einem radial außenliegenden Ende eines Laufschaufelkranzes und einer radial innenliegenden Gehäusewand des Gehäuses, die als Mantelring

bezeichnet wird, ein Spalt ausgebildet, der zur Optimierung des Wirkungsgrads der Turbomaschine möglichst klein ausfallen muss.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun solche Details einer Turbomaschine, mit Hilfe derer der Spalt zwischen dem radial außenliegenden Ende eines Laufschaufelkranzes und der radial innenliegenden Gehäusewand bzw. dem Mantelring eines Gehäuses im Sinne eines Active Clearance Control automatisch beeinflusst bzw. verändert werden kann.

An dieser Stelle sei daraufhingewiesen, dass die Erfindung vorzugsweise im Bereich eines Verdichters einer Turbomaschine zum Einsatz kommt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung im Bereich des Verdichters beschränkt, vielmehr kann die Erfindung auch im Bereich einer Turbine einer Turbomaschine zum Einsatz kommen.

Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung.

So zeigt Fig. 1 eine radial innenliegenden Gehäusewand bzw. einen Mantelring 10 eines Stators eines Verdichters einer Gasturbine, wobei der Mantelring 10 einen nicht- dargestellten Laufschaufelkranz umschließt. Zwischen dem Mantelring 10 und einem radial außenliegenden Ende des nicht-dargestellten Laufschaufelkranzes ist ein ebenfalls nicht- dargestellter Spalt ausgebildet.

Der Mantelring 10 ist konzentrisch von einer als überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung 11 umgeben. Gemäß Fig. 1 sind sich gegenüberliegende Flächen 12, 13 von Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11 kegelstumpfförmig konturiert, wobei zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen 12 und 13 von Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11 und damit zwischen Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11 als zylindrische Laufrollen ausgebildete Wälzkörper 14 angeordnet sind, die relativ zur Axialrichtung des Mantelrings 10 in Radialrichtung und in Umfangsrichtung schräg angestellt sind.

Bedingt dadurch, dass zwischen dem Mantelring 10 und der Stelleinrichtung 11 , welche den Mantelring 10 konzentrisch umgibt, die Wälzkörper 14 angeordnet sind, kann die Stelleinrichtung 11 gegenüber dem Mantelring 10 verdreht werden. Da die sich gegenüberliegenden Flächen 12 und 13 von Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11 kegelstumpfför- mig konturiert sind und die Wälzkörper 14 relativ zur Axialrichtung des Mantelrings 10 schräg angestellt sind, bewirkt diese Verdrehung der Stelleinrichtung 11 relativ zur Gehäusewand 10 im Sinne des Pfeils 15 weiterhin im Sinne des Pfeils 16 eine translatorische Verschiebung der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10, aufgrund derer gleichzeitig der Durchmesser des Mantelrings 10 und damit der Spalt zwischen dem Mantelring 10 und dem nicht-dargestellten Laufschaufelkranz eingestellt werden kann.

Es sei daraufhingewiesen, dass die Wälzkörper 14 vorzugsweise als sogenannte käfiggeführte Laufrollen ausgebildet sind.

Ausgehend von einer Ausgangsstellung der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10 ist in einer ersten Drehrichtung der ringartigen Stelleinrichtung 11 das Spaltmaß des Spalts bezogen auf ein Ausgangsmaß verkleinerbar, in einer zweiten Drehrichtung der Stelleinrichtung 11 ist das Spaltmaß gegenüber dem Ausgangsmaß vergrößerbar.

Bei der Verdrehung der ringartigen Stelleinrichtung 11 gegenüber dem Mantelring 10 wird der Mantelring 10 zur Einstellung des Spaltmaßes elastisch verformt.

Nach dem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird demnach zur Anpassung des Spalts zwischen dem Mantelring 10 und einem radial außenliegenden Ende eines Laufschaufelkranzes, der von dem Mantelring 10 umgeben ist, ein Mechanismus vorgeschlagen, der im Wesentlichen aus zwei konzentrischen Ringen besteht, nämlich einem ersten Ring, der von dem Mantelring 10 gebildet ist, und einem zweiten Ring, der von der Stelleinrichtung 11 gebildet ist. Zwischen diesen beiden Ringen, also zwischen dem Mantelring 10 und der Stelleinrichtung 11, sind vorzugsweise als Laufrollen ausgebildete Wälzkörper 14 angeordnet, die ein Verdrehen der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10 zulassen. Diese Wälzkörper 14 sind relativ zur Axialerstreckung der Gehäusewand 10 und damit

relativ zur Axialerstreckung der Turbomaschine in Umfangsrichtung und in Radialrichtung schräg gestellt, wobei die sich gegenüberliegenden Flächen 12, 13 von Mantelring 10 und Stelleinrichtung 11, zwischen denen die Wälzkörper 14 angeordnet sind, kegelstumpfför- mig konturiert sind.

Hierdurch bewirkt die Verdrehung der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10 weiterhin eine Axialverschiebung der Verstelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10. Die Stelleinrichtung 11 wird sozusagen auf den Mantelring 10 aufgeschraubt. Hierbei verformt die in einer relativ dicken Wandstärke ausgeführte Stelleinrichtung 11 den in einer relativ dünnen Wandstarke ausgeführten Mantelring 10 im Sinne einer elastischen Verformung, so dass durch Verdrehen der Stelleinrichtung 11 relativ zum Mantelring 10 der Durchmesser des Mantelrings 10 angepasst und damit der Spalt zwischen dem Mantelring und dem Laufschaufelkranz eingestellt werden kann. Es ist auch möglich, die Stelleinrichtung 11 aus einem steiferen Werkstoff als den Mantelring 10 zu fertigen.

Fig. 2 zeigt einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem zweiten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung. So zeigt Fig. 2 wiederum eine radial innenliegende Gehäusewand bzw. einen Mantelring 17 eines Stators eines Verdichters einer Gasturbine, wobei der Mantelring 17 einen nicht-dargestellten Laufschaufelkranz umschließt. Zwischen dem Mantelring 17 und dem radial außenliegenden Ende des nicht-dargestellten Laufschaufelkranzes ist wiederum ein nicht-dargestellter Spalt ausgebildet.

Der Mantelring 17 ist konzentrisch von einer als überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung 18 umgeben. Gemäß Fig. 2 sind sich gegenüberliegende Flächen 19 und 20 von Mantelring 17 und Stelleinrichtung 18 zylindrisch konturiert, wobei zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen 19, 20 nicht-zylindrische, klemmkörperartige Wälzkörper 21 angeordnet sind. Die klemmkörperartigen Wälzkörper 21 sind in Käfigen 22, 23 unter Vorspannung über ein Federelement 24 geführt.

Die Stelleinrichtung 18 ist gegenüber dem Mantelring 17 verdrehbar, wobei bei der Verdrehung der Stelleinrichtung 18 gegenüber dem Mantelring 17 auch die Wälzkörper 21 gedreht werden, wobei die Wälzkörper 21 abhängig von Ihrer Drehposition eine unterschiedliche Radialerstreckung aufweisen. Vergrößert sich bedingt durch die Drehung der Stelleinrichtung 18 die Radialerstreckung der Wälzkörper 21, so wird der Mantelring 17 unter Verkleinerung des Spalts zwischen dem Mantelring 17 und den radial außenliegenden Enden der nicht-dargestellten Laufschaufeln verformt. Zur Vergrößerung dieses Spalts wird die Stelleinrichtung 18 gegenüber dem Mantelring 17 derart verdreht, dass sich infolge dieser Verdrehung die Radialerstreckung der Wälzkörper 21 verkleinert.

Einen schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Turbomaschine nach einem dritten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 3, wobei auch in Fig. 3 ein Mantelring 25 eines Stators eines Verdichters einer Gasturbine gezeigt ist, der einen nicht- dargestellten Laufschaufelkranz umschließt und mit dem nicht-dargestellten Laufschaufelkranz einen ebenfalls nicht-dargestellten Spalt begrenzt. Auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist der Mantelring 25 konzentrisch von einer als überwurfring ausgebildeten Stelleinrichtung 26 umgeben. Sich gegenüberliegende Flächen 27 und 28 von Mantelring 27 und Stelleinrichtung 26 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 derart konturiert, dass die Fläche 28 der Stelleinrichtung 26 zylindrisch und die Fläche 27 des Mantelrings 25 ram- penförmig konturiert ist. So sind an der Oberfläche 27 des Mantelrings 25 mehrere Rampen 30 ausgebildet, auf denen zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen 27 und 28 von Mantelring 25 und Stelleinrichtung 26 positionierte, zylindrische Wälzkörper 29 abrollen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 3 kann auch die Fläche 27 des Mantelrings 25 zylindrisch und die Fläche 28 der Stelleinrichtung 26 rampenförmig konturiert sein.

Bei Verdrehung der Stelleinrichtung 26 relativ zum Mantelring 25 rollen die Wälzkörper 29 auf den im Bereich der Fläche 27 ausgebildeten Rampen 30 ab, wobei gleichzeitig der Mantelring 27 und damit der Spalt zwischen dem Mantelring 27 und dem nicht- dargestellten Laufschaufelkranz verändert und damit eingestellt werden kann.

In einer ersten Drehrichtung der Stelleinrichtung 26 wird der Spalt bezogen auf ein Ausgangsmaß verkleinert, in einer zweiten Drehrichtung der Stelleinrichtung 26 ist das Spaltmaß des Spalts gegenüber dem Ausgangsmaß vergrößerbar.

Auch in den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 ist in übereinstimmung zum Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 1 die Stelleinrichtung 18 bzw. 20 in einer relativ dicken Wandstärke und der Mantelring 17 bzw. 25 in einer relativ dünnen Wandstärke ausgeführt. Der Mantelring 17 bzw. 25 unterliegt infolge der Verdrehung der Stelleinrichung 18 bzw. 26 einer e- lastischen Verformung. Ebenso ist es wiederum möglich, die Stelleinrichtung 18 bzw. 26 aus einem steiferen Werkstoff als den Mantelring 17 bzw. 25 zu fertigen.

Der erfindungsgemäße Mechanismus zur Bereitstellung einer Active Clearance Control an einer Turbomaschine zeichnet sich durch einen kompakten Aufbau mit einer geringen Bauhöhe aus. Es sind nur geringe Verstellkräfte und keine Haltekräfte erforderlich. Bauteile werden vorwiegend auf Zug und Druck belastet, sind jedoch keiner oder nur einer geringen Biegebelastung ausgesetzt.