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.

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.

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.

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.

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.

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.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbomaschine mit einem verbesserten ACC-System zu schaffen.

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.

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.

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. 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.

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.

Die Umfangswand sollte Öffnungen besitzen, durch die sich Andrück- oder Zugelemente erstrecken, welche die Aktoren mit dem Deckband koppeln.

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.

Natürlich können die Elemente auch aus mehreren Teilen form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sein, z.B. über Niete.

Die Öffnungen sind vorzugsweise Schlitze, insbesondere schmale Schlitze im Gehäuse, durch die sich die Andrück- oder Zugelemente erstrecken.

Vorzugsweise sind die Andrück- oder Zugelemente schmale Stege.

Die Struktur ist dabei so ausgebildet, daß sie geometrisch optimal auf Widerstandskenngrößen ausgerichtet ist.

Die Andrück- oder Zugelemente erstrecken sich gemäß einer Ausführungsform radial bis zu einer Leiste, die an der Innenseite der zugeordneten Aktoren liegt.

Die Leiste ist insbesondere Teil eines Rahmens, in dem ein Aktor aufgenommen ist.

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.

Leiste, Rahmen und/oder Andrück- oder Zugelement können einstückig miteinander verbunden sein, so daß sich eine Art Festkörpergelenk ergibt..

Die Leisten sollten im Gehäuse oder im Rahmen befestigt sein, wobei dies auch gegebenenfalls durch Schweißen oder Löten erfolgen kann.

Das Gehäuse besitzt gemäß der bevorzugten Ausführungsform radial außerhalb der Umfangswand Kammern zur Unterbringung der Aktoren und gegebenenfalls auch der zuvor erwähnten Rahmen.

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.

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.

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. Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den nachfolgenden Zeichnungen ersichtlich, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine in Form einer Gasturbine,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines bei der Erfindung eingesetzten ACC-Systems,

Figur 3 eine Frontansicht des ACC-Systems nach Figur 2,

Figur 4 eine vergrößerte Frontansicht eines Abschnitts des ACC-Systems nach den Figuren 2 und 3,

Figur 5 eine Perspektivansicht des in Figur 4 gezeigten Abschnitts,

Figur 6 eine etwas modifizierte Ausführungsform des ACC-Systems im Radialschnitt gesehen,

Figur 7 eine vergrößerte Ansicht des Außenrandes des ACC-Systems nach Figur 6, und

Figur 8 eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts des ACC-Systems längs der Linie VIII - VIII in Fig. 7.

In Figur 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 Figur 1 übertrieben groß dargestellt ist. Ein weiterer Spalt ergibt sich zwischen den Leitschaufeln und der Nabe 30.

Im Bereich jedes Leitschaufelkranzes ist je ein in den Figuren 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 Figuren 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.

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.

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.

Wie in den Figuren 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. Wie in den Figuren 2 und 3 zu sehen ist, ergibt sich eine Art Ring mit in Umfangsrichtung zahlreichen aneinander angrenzenden Kammern 38 und zugeordneten Aktoren 48.

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.

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.

Es läßt sich hiermit, gezielt auf die jeweilige Bedingung abgestimmt, ein minimaler Spalt 28 erzeugen.

Wie in Figur 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.

Während sich bei der Ausführungsform nach den Figuren 2 bis 5 die Aktoren radial ausdehen, dehnen sie sich bei der Ausführungsform nach Figur 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.

Funktionsgleiche Teile sind aber mit den bereits eingeführten Bezugszeichen versehen.

Das Gehäuse mit den Umfangswänden 32 und 34 ist zur Vereinfachung in den Figuren 6 und 7 weggelassen worden, jedoch ist es entsprechend der Ausführungsform nach Figur 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. 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.

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.

Bei der Ausfuhrungsform nach den Figuren 2 bis 5 sind vorzugsweise die Stirnseiten des ACCSystems ebenso geschlossen wie nach Figur 6 oder 7, d.h., die Aktoren 48 ragen nicht aus den Gehäusewänden heraus wie in Figur 5 dargestellt, sondern sind in einer Art Kammer untergebracht, wie in Figur 6 oder 7 gezeigt.

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 Figuren 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.

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.

Das dargestellte ACC-System kann sowohl im Verdichter- als auch im Turbinenbereich angewandt werden.