DE102007056895A1

DE102007056895A1 - Aktive Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse

Info

Publication number: DE102007056895A1
Application number: DE102007056895A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer; Roland Huttner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-05-28
Also published as: WO2009067992A3; EP2212522A2; WO2009067992A2; ATE519923T1; EP2212522B1

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 (in 1 sind lediglich zwei Segmente dargestellt) sowie eine Anzahl von Aktuatoren 2 zur Betätigung der Gehäusesegmente 1 in Radialrichtung des hiervon gebildeten Rings. Die Gehäusesegmente 1 sind im wesendlichen plattenförmig ausgebildet und im Umfangsabstand zueinander angeordnet, derart, dass sich zwischen jeweils zwei stirnseitig angrenzenden Gehäusesegmenten 1 ein Radialspalt oder Dehnfuge 3 ausbildet. Jeweils zwei angrenzende Gehäusesegmente 1 sind ferner über ein Federelement oder -bauteil 4 miteinander verbunden, das derart konstruiert und mit den jeweiligen Gehäusesegmenten 1 verbunden ist, dass es in Konstruktionslage (entspricht einem geschlossenen Ring) eine radial nach außen gerichtete Vorspannkraftkomponente auf die Gehäusesegmente 1 ausübt, die eine radiale Aufweitung des von den Gehäusesegmenten 1 gebildeten Rings bewirkt.
In 1 ist das Federbauelement 4 als eine die Dehnfuge 3 überbrückende, ringförmige Spreiz- oder Schenkelfeder dargestellt, welche einstückig mit den zwei benachbarten Gehäusesegmenten 1 verbunden ist. Diese Feder beaufschlagt die beiden Gehäusesegmente 1 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 Federelement 4 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 Federelement 4 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 Dehnfuge 3 zwischen den jeweils angrenzenden Gehäusesegmenten 1 wird somit durch das entsprechende Federelement 4 hergestellt, das integraler Bestandteil beider Gehäusesegmente ist. Gleichzeitig, kann die Federkonstante im Verlauf des Herstellungsprozesses so eingestellt werden, dass das Federelement 4 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 Aktuators 2 auf das zugehörige Gehäusesegment 1.
Wie in der 1 angedeutet ist, ist jeder Aktuator 2 als hydraulischer, pneumatischer oder elektromotorischer Antrieb mit einer axial bewegbaren Kolbenstange 6 ausgebildet, welche an ihrem distalen Ende an einen Kipphebel 7 angelenkt ist. Jeder Aktuator 2 ist an einem den nicht weiter dargestellten Rotor umgebenden Außengehäuse 8 vorzugsweise an dessen Außenseite fixiert. Jeder zugehörige Kipphebel 7, welcher das Außengehäuse 8 durchdringt, ist L-förmig ausgebildet und hat in seinem Mittenabschnitt einen fixen Schwenkpunkt 9 für die ortsfeste Anlenkung des Hebels 7 beispielsweise am Aktuatorgehäuse oder, wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, am Außen- bzw. Rotorgehäuse 8 der Strömungsmaschine selbst. Der innerhalb des Rotorgehäuses 8 befindliche freie Schenkel jedes Hebels 7 ist mit vorzugsweise einem einzigen Gehäusesegment 1 scharnierartig gekoppelt. Alternativ ist es aber auch möglich, mehrere Gehäusesegmente mit einem einzigen Aktuator anzutreiben.
Gemäß der 1 ist jeder L-förmige Hebel 7 so ausgerichtet, dass sich sein freier Schenkel in Richtung zum Aktuator 2 quasi zurück erstreckt, sodass sich der Anlenkpunkt 10 zwischen dem freien Schenkel des Hebels 7 und dem Gehäusesegment 1 radial unterhalb des Aktuators 2 sowie im wesentlichen in dem Mittenabschnitt des Gehäusesegments 1 befindet. Der maximale Betätigungsweg jedes Gehäusesegments 1 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 Aktuators 2.
Die Funktionsweise der Spaltregeleinrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist wie folgt:
In Konstruktionslage der Gehäusesegmente 1 werden die die Dehnfugen 3 überbrückenden Federelemente 4 unter Vorspannung gehalten, derart, dass sie eine Vorspannkraft auf die Gehäusesegmente 1 radial nach Außen ausüben. Hierdurch wird durch den Aktuator 2 permanent eine Gegenkraft über die Kolbenstange 6 sowie den daran angelenkten Kipphebel 7 für ein Stabilisieren des entsprechenden Gehäusesegments 1 erzeugt, wodurch die Anlenkstellen 9, 10 des Kipphebels 7 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 Kolbenstangen 6 zu bewirken. Diese Hubbewegung wird über die Kipphebel 7 in eine Radialbewegung der Gehäusesegmente 1 übersetzt, die zu einer radialen Aufweitung oder Einengung des hiervon gebildeten Rings führt. Die hierbei zwangsläufig auftretende Änderung des Ringumfangs wird durch die Dehnfugen 3 bzw. die die Gehäusesegmente 1 verbindenden Federelemente 4 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 Rotorgehäuses 8 angepasst werden kann.
– Die Vorspannkraft der Federelemente 4 nach Außen verhindert ein Anschleifen der Gehäusesegmente 1 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 Gehäusesegment 1 und Rotorgehäuse 8. Hierdurch verringert sich Schall- und Wärmeübertragung auf das Rotorgehäuse 8. Darüber hinaus ist die Hebelanordnung 5 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 Leitschaufelsegmenten 11 erweitert. In anderen Worten ausgedrückt, besteht jedes Gehäusesegment 1 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 Leitschaufeln 12, welche radial innenseitig über ein in Umfangsrichtung sich erstreckendes Leitblech 13 miteinander verbunden sind. Alle weiteren konstruktiven Merkmale bezug lich Aktuatoren 2, Hebelanordnung 5 sowie Federelemente 4 entsprechen unverändert dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass an dieser Stelle auf die vorstehenden Textpassagen verwiesen werden kann. Auch die Fertigung der Gehäusesegmente 1 samt der zugehörigen Leitschaufelsegmente 11 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 Dehnfuge 14, die ggf. mit einem deformierbaren, flexiblen Füllmaterial gedichtet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5104287 [0002]

Claims

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.