DE102007056895A1 - Aktive Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse einer Strömungsmaschine mit einer Anzahl von zu einem Ring zusammengesetzten Gehäusesegmenten sowie einer Anzahl von Aktuatoren zur Betätigung der Gehäusesegmente in Radialrichtung. Es ist eine Kipphebelanordnung vorgesehen zur Übertragung der Betätigungsbewegung des jeweiligen Aktuators auf das/die zugehörige(n) Gehäusesegment(e). Die vorzugsweise aus Sintermaterial bestehenden Gehäusesegmente sind für ein Aufweiten des Rings vorgespannt. Die hierfür erforderlichen Federn sind integral mit den Gehäusesegmenten ausgebildet und verbinden federelastisch jeweils zwei angrenzende Gehäusesegmente miteinander.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse einer Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren für deren Herstellung.
- Aus dem Stand der Technik gemäß der
US 5,104,287 ist eine mechanische Spaltregeleinrichtung dieser Gattung bekannt. Diese sieht eine Anzahl von Gehäusesegmenten, sogenannte „Shrouds" vor, die in Umfangsrichtung eines Rotors an einem Rotorgehäuse radialbbewegbar gelagert sind. Die Gehäusesegmente sind dabei gegenüberliegend zu den Rotorblättern zu einem im wesentlichen geschlossenen Ring zusammengefügt und werden über radial in das Rotorgehäuse eingesetzte Gewindestifte in Richtung der Rotorblätter radial bewegt. Hierdurch kann der von den Segmenten gebildete Ring radial aufgeweitet oder eingeengt werden, wodurch sich der zwischen den Rotorblättern und dem Ring ausgebildete Spalt vergrößert oder verkleinert. - Die Gewindestifte aller Gehäusesegmente werden dabei gemeinsam über einen Synchronisierungsring betätigt, wodurch eine gemeinsame und zeitgleiche Verstellung der Gehäusesegmente ermöglicht wird. Dies erlaubt ein gleichmäßiges Verstellen der Spaltweite zwischen jeweiligem Gehäusesegment und Rotorblattspitze über den gesamten Rotorenumfang. Um eine möglichst spielfreie Regelung der Spaltweite zu erreichen, sind zwischen den einzelnen Gehäusesegmenten und dem Rotorgehäuse Vorspannelemente in Form von Blatt- bzw. Wellenfedern eingesetzt, welche sich an der Innenwand des Rotorgehäuses abstützen und so die einzelnen Gehäusesegmente radial nach innen, d. h. in Richtung zu den Rotorblättern vorspannen.
- Obgleich diese bekannte Einrichtung eine Regelung des Spalts zwischen Rotorblatt bzw. Schaufelspitze und Rotorgehäuse sowohl in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl des Rotors also auch von der Temperatur der Strömungsmaschine zulässt, um eine optimale Spaltbreite für jeden Betriebszustand der Strömungsmaschine zu ermöglichen, so ist deren Konstruktion aufwändig und schwer herstellbar.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse zu schaffen, die bei hoher Betriebssicherheit einfacher herstellbar ist. Des weiteren soll ein möglichst einfaches und damit kostengünstiges Herstellungsverfahren bereitgestellt werden.
- Diese Aufgabe wird durch eine Spaltregeleinrichtung mit den Merkmalen gemäß dem anliegenden Patentanspruch 1 sowie durch ein Herstellungsverfahren mit den Verfahrensschritten gemäß dem anliegenden Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dabei Gegenstand der Unteransprüche.
- Der Kern der Erfindung besteht demzufolge darin, die zu einem Ring zusammengesetzten Gehäusesegmente oder Shrouds jeweils über Federelemente miteinander zu verbinden, die in Konstruktionslage eine Federkraft auf die Gehäusesegmente ausüben, welche zu einer Aufweitung des Rings führt. Auf diese Weise entfällt zum Einen eine gegenüber dem Stand der Technik schwierige Montage von separaten Federelementen zwischen Rotorgehäuse und Gehäusesegment und zum Anderen ergibt die radial nach Außen wirkende resultierende Federkraft ein verbessertes Fail-Safe-Verhalten beispielsweise bei Ausfall eines der Aktuatoren zur Spaltbreitenregelung. In diesem Fall bewirken die Federelemente konstruktionsbedingt nämlich ein zumindest partielles Aufweiten des Rings bei entsprechender Vergrößerung des Spalts zwischen den Federelementen und den Schaufelspitzen des Rotors. Ein Anstreifen der Schaufelspitzen an den Gehäusesegmenten wird damit in jedem Fall verhindert.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gehäusesegmentrings sieht grundsätzlich die Anwendung eines „Rapid Manufacturing Vefahrens" vor. D. h. die Federelemente werden als integrale Bauteile der Gehäusesegmente ausgebildet. Vorzugsweise sind die Gehäusesegmente und ggf. auch die Federelemente aus einem Sintermaterial nach dem „Rapid Manufacturing Prinzip" (Schnellherstellungsverfahren) unter Einsatz eines Lasers (z. B. ein CO2-Laser) gefertigt. Dies ermöglicht die kostengünstige Herstellung der Gehäusesegmente und ggf. gleichzeitig der Federelemente vorzugsweise durch Lasersintern, also durch ein generatives Verfahren, bei dem direkt aus CAD-Daten ohne Bereitstellung von Werkzeugen das fertige Produkt erzeugt wird.
- Weiter vorteilhaft ist es, die Aktuatoren zur Betätigung der Gehäusesegmente in Radialrichtung über eine Kipphebelanordnung zur Übertragung der Betätigungsbewegung des jeweiligen Aktuators auf das/die zugehörige(n) Gehäusesegment(e) zu koppeln. Hierdurch können durch ausgewählte günstige Hebelverhältnisse die von den Aktuatoren aufzubringenden Antriebskräfte gering gehalten werden, was zu einer leichten Bauweise der gesamten Einrichtung beiträgt. Dies eröffnet wiederum die Möglichkeit, jedes Gehäusesegment separat durch einen eigenen Aktuator zu betätigen, um so die Gehäusesegmente bzw. den Segmentring an eine Ovalisierung des Rotorgehäuses (beispielsweise infolge Wärmebelastung) anpassen zu können. Dies erhöht ebenfalls die Betriebssicherheit bei gleichzeitiger Optimierung des Rotorspalts.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
-
1 zeigt die Prinzipskizze einer Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt und -
2 zeigt die Prinzipskizze einer Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ebenfalls im Querschnitt, wobei zum ersten Ausführungsbeispiel gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. - Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse einer Strömungsmaschine eine Anzahl von zu einem Ring zusammengesetzter Gehäusesegmente
1 (in1 sind lediglich zwei Segmente dargestellt) sowie eine Anzahl von Aktuatoren2 zur Betätigung der Gehäusesegmente1 in Radialrichtung des hiervon gebildeten Rings. Die Gehäusesegmente1 sind im wesendlichen plattenförmig ausgebildet und im Umfangsabstand zueinander angeordnet, derart, dass sich zwischen jeweils zwei stirnseitig angrenzenden Gehäusesegmenten1 ein Radialspalt oder Dehnfuge3 ausbildet. Jeweils zwei angrenzende Gehäusesegmente1 sind ferner über ein Federelement oder -bauteil4 miteinander verbunden, das derart konstruiert und mit den jeweiligen Gehäusesegmenten1 verbunden ist, dass es in Konstruktionslage (entspricht einem geschlossenen Ring) eine radial nach außen gerichtete Vorspannkraftkomponente auf die Gehäusesegmente1 ausübt, die eine radiale Aufweitung des von den Gehäusesegmenten1 gebildeten Rings bewirkt. - In
1 ist das Federbauelement4 als eine die Dehnfuge3 überbrückende, ringförmige Spreiz- oder Schenkelfeder dargestellt, welche einstückig mit den zwei benachbarten Gehäusesegmenten1 verbunden ist. Diese Feder beaufschlagt die beiden Gehäusesegmente1 im wesentlichen in Tangentialrichtung, wobei sich bei Anwendung zweier solcher Federelemente auf gegenüber sich befindlichen Stirnseiten des Gehäusesegments eine resultierende Vorspannkraft in Radialrichtung nach außen ergibt. Alternativ hierzu ist es aber auch möglich, das Federelement4 als separates Bauteil zu fertigen und bei der Montage des Rings mit den Gehäusesegmenten durch Schrauben, Löten, oder durch Formschluss zu verbinden. - Es hat sich jedoch gezeigt, dass der konstruktive Aufbau des Gehäusesegments
1 mit stirnseitig angeordnetem Federelement4 den Einsatz des sogenannten „Rapid Manufacturing Verfahrens" gestattet. In diesem Fall wird das Gehäusesegment bzw. die Gehäusesegmente und gleichzeitig die Federelemente vorzugsweise aus einem Sintermaterial schichtweise (additiv) direkt aus CAD-Daten aufgebaut. Hierfür verschmelzt ein Laser, vorzugsweise ein CO2-Laser Pulverpartikel Schicht um Schicht an der vorgegebenen Position. Die hierbei vom Laser zugeführte Energie wird vom Pulver absorbiert und führt letztlich zu einer lokalen Verfestigung des Material. Die Dehnfuge3 zwischen den jeweils angrenzenden Gehäusesegmenten1 wird somit durch das entsprechende Federelement4 hergestellt, das integraler Bestandteil beider Gehäusesegmente ist. Gleichzeitig, kann die Federkonstante im Verlauf des Herstellungsprozesses so eingestellt werden, dass das Federelement4 im Ruhezustand (Konstruktionslage) den größten Radialspalt erzeugt und somit grundsätzlich eine Aufweitungstendenz des Rings entgegen der Betätigungskraft der Aktuatoren bewirkt. - Radial außerhalb des Rings ist eine Kipphebelanordnung
5 vorgesehen zur Übertragung der Betätigungsbewegung des jeweiligen Aktuators2 auf das zugehörige Gehäusesegment1 . - Wie in der
1 angedeutet ist, ist jeder Aktuator2 als hydraulischer, pneumatischer oder elektromotorischer Antrieb mit einer axial bewegbaren Kolbenstange6 ausgebildet, welche an ihrem distalen Ende an einen Kipphebel7 angelenkt ist. Jeder Aktuator2 ist an einem den nicht weiter dargestellten Rotor umgebenden Außengehäuse8 vorzugsweise an dessen Außenseite fixiert. Jeder zugehörige Kipphebel7 , welcher das Außengehäuse8 durchdringt, ist L-förmig ausgebildet und hat in seinem Mittenabschnitt einen fixen Schwenkpunkt9 für die ortsfeste Anlenkung des Hebels7 beispielsweise am Aktuatorgehäuse oder, wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, am Außen- bzw. Rotorgehäuse8 der Strömungsmaschine selbst. Der innerhalb des Rotorgehäuses8 befindliche freie Schenkel jedes Hebels7 ist mit vorzugsweise einem einzigen Gehäusesegment1 scharnierartig gekoppelt. Alternativ ist es aber auch möglich, mehrere Gehäusesegmente mit einem einzigen Aktuator anzutreiben. - Gemäß der
1 ist jeder L-förmige Hebel7 so ausgerichtet, dass sich sein freier Schenkel in Richtung zum Aktuator2 quasi zurück erstreckt, sodass sich der Anlenkpunkt10 zwischen dem freien Schenkel des Hebels7 und dem Gehäusesegment1 radial unterhalb des Aktuators2 sowie im wesentlichen in dem Mittenabschnitt des Gehäusesegments1 befindet. Der maximale Betätigungsweg jedes Gehäusesegments1 sowie die darauf ausübbare Betätigungskraft ist somit über die Hebelverhältnisse vorab einstellbar. Dies ermöglicht eine Verringerung der Betätigungskraft und damit eine schwächere und damit leichtere Auslegung des Aktuators2 . - Die Funktionsweise der Spaltregeleinrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist wie folgt:
In Konstruktionslage der Gehäusesegmente1 werden die die Dehnfugen3 überbrückenden Federelemente4 unter Vorspannung gehalten, derart, dass sie eine Vorspannkraft auf die Gehäusesegmente1 radial nach Außen ausüben. Hierdurch wird durch den Aktuator2 permanent eine Gegenkraft über die Kolbenstange6 sowie den daran angelenkten Kipphebel7 für ein Stabilisieren des entsprechenden Gehäusesegments1 erzeugt, wodurch die Anlenkstellen9 ,10 des Kipphebels7 spielfrei werden. - Um nunmehr in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Strömungsmaschine, d. h. entsprechend sensorerfasster Temperatur und Rotordrehzahl eine Spaltbreitenregelung auszuführen, werden die einzelnen Aktuatoren
2 von einer nicht gezeigten Regelelektronik angesteuert, um eine Hubbewegung der Kolbenstangen6 zu bewirken. Diese Hubbewegung wird über die Kipphebel7 in eine Radialbewegung der Gehäusesegmente1 übersetzt, die zu einer radialen Aufweitung oder Einengung des hiervon gebildeten Rings führt. Die hierbei zwangsläufig auftretende Änderung des Ringumfangs wird durch die Dehnfugen3 bzw. die die Gehäusesegmente1 verbindenden Federelemente4 ausgeglichen. - Durch die erfindungsgemäße Konstruktion der Spaltregeleinrichtung ergeben sich funktional die folgenden Vorteile:
- – Die
Gehäusesegmente
1 können individuell betätigt werden, wodurch der Ring auch an eine Ovalisierung des Rotorgehäuses8 angepasst werden kann. - – Die Vorspannkraft der Federelemente
4 nach Außen verhindert ein Anschleifen der Gehäusesegmente1 durch Rotorschaufeln auch im Fall eines Aktuatorenausfalls. - – Die Verwendung von Kipphebeln
6 mit entsprechender Punktlagerung sowie die integrierte Vorspannung des Gehäusesegmentrings verkleinert die Übertragungsfläche zwischen Gehäusesegment1 und Rotorgehäuse8 . Hierdurch verringert sich Schall- und Wärmeübertragung auf das Rotorgehäuse8 . Darüber hinaus ist die Hebelanordnung5 demzufolge auch unanfällig gegen Verklemmen unter Temperatureinfluss. - – Es ist eine kostengünstige Fertigung nach dem Rapid Manufacturing Verfahren mit geringem mechanischem Nacharbeitsaufwand möglich.
- – Sowohl die Aktuatoren
2 wie auch die Sensorik ist von Außen zugänglich. - Nachfolgend wir unter Bezugnahme auf die
2 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei die zum ersten Beispiel gleichen Bauteile mit den selben Bezugszeichen versehen sind. - Bei der Spaltregeleinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind der Gehäusesegmente
1 durch Integration von Leitschaufelsegmenten11 erweitert. In anderen Worten ausgedrückt, besteht jedes Gehäusesegment1 aus den schalenförmigen Platten, wie sie bereits anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurden, an die jedoch zusätzlich radial innenseitig ein Leitschaufelaufbau angesetzt ist. Dieser umfasst vorliegend eine Anzahl von radialen Leitschaufeln12 , welche radial innenseitig über ein in Umfangsrichtung sich erstreckendes Leitblech13 miteinander verbunden sind. Alle weiteren konstruktiven Merkmale bezug lich Aktuatoren2 , Hebelanordnung5 sowie Federelemente4 entsprechen unverändert dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass an dieser Stelle auf die vorstehenden Textpassagen verwiesen werden kann. Auch die Fertigung der Gehäusesegmente1 samt der zugehörigen Leitschaufelsegmente11 erfolgt nach dem vorstehenden „Rapid Manufacturing Prinzip" vorzugsweise zu einem einstückigen Shroudmodul. - Die Leitbleche
13 der stirnseitig angrenzenden Module sind jedoch nicht durch Federelemente verbunden, sondern bilden eine Dehnfuge14 , die ggf. mit einem deformierbaren, flexiblen Füllmaterial gedichtet sind. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- - US 5104287 [0002]
Claims (11)
- Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse einer Strömungsmaschine mit einer Anzahl von zu einem Ring zusammengesetzten Gehäusesegmenten (
1 ), die durch Federelemente (4 ) vorgespannt sind sowie einer Anzahl von Aktuatoren (2 ) zur Betätigung der Gehäusesegmente (1 ) in Radialrichtung dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei angegrenzende Gehäusesegmente (1 ) über ein Federelement (4 ) elastisch gekoppelt sind. - Spaltregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (
4 ) eine Vorspannkraft auf die Gehäusesegmente (1 ) für ein radiales Aufweiten des Rings aufbringen. - Spaltregeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (
4 ) als integrierter Bestandteil der Gehäusesegmente (1 ) ausgebildet sind. - Spaltregeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen jeweils zwei angrenzenden Gehäuseelementen (
1 ) eine Dehnfuge (3 ) ausbildet, welche vom Federelement (4 ) überbrückt wird. - Spaltregeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (
4 ) jeweils in Form einer Schenkelfeder ausgebildet sind. - Spaltregeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusesegmente (
1 ) und die Federelemente (4 ) unter Anwendung eines Schnellherstellungsverfahrens gefertigt sind und vorzugsweise aus einem Sintermaterial bestehen. - Spaltregeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Kipphebelanordnung (
5 ) zur Übertragung der Betätigungsbewegung des jeweiligen Aktuators (2 ) auf das/die zugehörige(n) Gehäusesegment(e) (1 ). - Spaltregeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusesegmente (
1 ) mittels der Aktuatoren (2 ) individuell und unabhängig voneinander betätigbar sind. - Spaltregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kipphebelanordnung (
5 ) zumindest einen vorzugsweise L-förmigen Hebel (7 ) hat, dessen eine Ende an einem am jeweiligen Gehäusesegment (1 ) ausgebildeten Anlenksockel (10 ) anscharniert ist und dessen andere Ende mit dem jeweiligen Aktuator (2 ) gekoppelt ist, wobei als fixer Schwenkpunkt des Hebels (7 ) eine Anlenkstelle (9 ) am Rotor- oder Aktuatorgehäuse vorgesehen ist. - Spaltregeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusesegmente (
1 ) integral mit Leitschaufelsegmenten (11 ) ausgebildet sind. - Verfahren zur Herstellung einer Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse einer Strömungsmaschine mit einer Anzahl von Gehäusesegmenten (
1 ), die über Federelemente (4 ) radial vorgespannt sind dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusesegmente (1 ) und die Federelemente (4 ) unter Anwendung eines Schnellherstellungsverfahrens, vorzugsweise eines Lasersinterverfahrens zu einem Ring aufgebaut werden, in welchem die Federelemente (4 ) als integrale Bestandteile jeweils zwei angrenzende Gehäusesegmente (1 ) federelastisch verbinden.
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