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Die Erfindung betrifft ein Turbomaschinen-Verdichtergehäuse mit einer Vorrichtung zur
Regelung seines Innendurchmessers, die ein objektives minimales Spiel zwischen dem
Rotor und dem Stator des Verdichters gewährleisten soll.
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Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, deren Ziel es war, im Betrieb
zwischen den Rotoren der Turbomaschine und den zugeordneten Statoren und insbesondere
zwischen den Enden der beweglichen Schaufeln und der Innenwandung eines den Kranz
dieser Schaufeln umschließenden Gehäuses ein radiales Spiel aufrechtzuerhalten, das so
gering wie möglich sind, um die Leistungsmerkmale der Maschine und insbesondere
einen guten Wirkungsgrad und geringen spezifischen Verbrauch zu gewährleisten.
Andererseits sollte das Spiel jedoch genügend groß sein, um insbesondere auch in den bei
Beschleunigungen oder Verzögerungen auftretenden Übergangszuständen unabhängig von
der Folge dieser Sequenzen ein schädliches mechanisches Zusammentreffen zwischen
den festen und den drehenden Teilen der Turbomaschine sicher zu verhindern. So lassen
sich Spiele im Betrieb durch den Einsatz thermischer Mittel regulieren, die vorzugsweise
von Heiß oder Kaltluftströmen Gebrauch machen, deren Durchsatzmengen in
Abhängigkeit von bestimmten Funktionsparametern der Turbomaschine oder von
direkten Messungen regelbar sind, wobei diese Luftdurchdurchsätze üblicherweise dazu
dienen, die Expansion/Kontraktion mechanischer Teile zu steuern. Beispiele für solche
Lösungen finden sich in FR-A-2 534 982, FR-A-2 535 995 oder FR-A-2 540 560.
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Bei anderen Lösungen werden mechanische Mittel eingesetzt, um den Durchmesser der
Gehäuse oder festen Teile zu verändern, die den Rotoren oder drehenden Teilen der
Turbomaschine gegenüberliegen. Dieses Prinzip ist beispielsweise in FR-A-2 577 282
oder FR-A-2 591 674 beschrieben.
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Diese bekannten früheren Lösungen arbeiten jedoch nicht in allen Anwendungsfällen
zufriedenstellend. Die häufig relativ große Luftentnahmen, wie sie zur Realisierung
derjenigen Lösungen benötigt werden, bei denen thermische Mittel zum Einsatz kommen,
verschlingen einen nicht vernachlässigbaren Teil der Motorleistung für den Betrieb
dieser Vorrichtungen. Außerdem bewirken die in Rede stehenden mechanischen Mittel
eine Massenvergrößerung. die insbesondere bei aeronautischen Anwendungen nachteilig
ist. Außerdem bedingen sie komplizierte Montagevorgänge. Bei der Anwendung in
Verdichtern von Turbomaschinen mit Gehäusen, die aus zwei durch Flansche
miteinander verbundenen Halbschalen bestehen, erweist sich die Realisierung der
bekannten Lösungen als heikel und schwierig.
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Es ist infolgedessen das Ziel der Erfindung, die oben erwähnten Probleme zu lösen,
ohne daß die Nachteile der bekannten früheren Lösungen auftreten. Dabei soll
insbesondere eine vorteilhafte Anwendung auf die aus zwei Halbschalen bestehenden
Verdichtergehäuse von Turbomaschinen möglich sein. Dieses Ziel wird erreicht durch
ein Verdichtergehäuse für eine Turbomaschine mit wenigstens einem radial inneren
Mantel, der aus zwei Halbschalen, die Verbindungsflansche tragen, zusammengesetzt
und mit einer Vorrichtung zur Steuerung seines Innendurchmessers in Abhängigkeit von
den Betriebsbedingungen der Turbomaschine ausgestattet ist, wobei das
Verdichtergehäuse dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen den genannten
Verbindungsflanschen des Gehäuses eine Anzahl von N verformbaren zylindrischen
Balgen variabler Länge befestigt sind, die die Verbindungsflansche miteinander
verbinden, wobei innerhalb jedes Balgens mit Hilfe eines Leitungssystems zur
Luftentnahme am stromabwärtigen Ende des Verdichters ein variabler Druck P2
aufrechterhalten wird, und daß zwischen den beiden Halbschalen ergänzende
Verbindungsmittel angeordnet sind, die eine nachgiebige Verbindung zwischen ihnen
sicherstellen.
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Die ergänzenden Verbindungsmittel bestehen vorteilhafterweise aus einer Anzahl von N
nachgiebigen Verbindungselementen, von denen jedes jeweils einem der Balgen
(zugeordnet ist, außerdem mit jedem seiner Enden zu beiden Seiten der
Verbindungsflansche an jeder Halbschale des Gehäuses befestigt ist und ein den Balgen
überbrückendes C-förmiges Element bildet.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform bestehen die ergänzenden
Verbindungsmittel aus einer Anzahl von N Paaren von Hebelarmen, von denen jeder mit einem
ersten Ende in der Nähe des Verbindungsflansches an einer Gehäusehalbschale angelenkt
ist, während sein anderes Ende mit Hilfe eines elastischen Flansches fest mit dem radial
äußeren Mantel des Verdichtergehäuses verbunden ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindungen werden im Verlauf der Lektüre der
folgenden auf die anliegenden Zeichnungen bezogenen Beschreibung zweier
Ausführungsbeispiele der Erfindung erkennbar.
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Fig. 1 zeigt in einer als Schnitt durch eine die Rotationsachse der Turbomaschine
enthaltenden Längsebene ausgeführten partiellen schematischen Halbansicht,
einen Verdichter, dessen Gehäuse mit einer Vorrichtung zur Regelung seines
Innendurchmessers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ausgestattet ist,
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Fig. 2 zeigt ein vergrößertes Detail des Verdichtergehäuses von Fig. 1 in einer als
Schnitt durch eine durch die Linie II-II von Fig. 3 verlaufende Ebene
ausgeführten schematischen Teilansicht,
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Fig. 3 zeigt in einer dem Pfeil F1 von Fig. 2 entsprechenden Ansicht ein
Ausführungsdetail der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Regelung des
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Fig. 4 zeigt ein vergrößertes Detail eines Elements der in Fig. 2 dargestellten
Vorrichtung zur Regelung des Innendurchmessers des Verdichtergehäuses,
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsdetail einer Sicherheitsvorrichtung, die in die Vorrichtung
zum Zusammenbau der beiden Halbschalen des Innenmantels des in Fig. 1
dargestellten Verdichtergehäuses eingefügt ist,
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Fig. 6 zeigt in einer als Schnitt durch eine durch die Rotationsachse der
Turbomaschine enthaltende Längsebene ausgeführten partiellen schematischen
Halbansicht, die zu der Ansicht nach Fig. 1 analog ist, einen Verdichter, dessen
Gehäuse mit einer Vorrichtung zur Regelung seines Innendurchmessers nach
einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist,
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Fig. 7 zeigt ein vergrößertes Detail des in Fig. 6 dargestellten Verdichtergehäuses in
einer zu Fig. 2 analogen Ansicht,
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Fig. 8 zeigt in einer zu Fig. 3 analogen Ansicht, die der Richtung des Pfeils F2 von
Fig. 7 entspricht, ein Ausführungsdetail der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung
zur Steuerung des Innendurchmessers des Verdichtergehäuses,
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Fig. 9 zeigt ein Ausführungsdetail einer Sicherheitsvorrichtung, die zu der
Sicherheitsvorrichtung von Fig. 5 für das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung analog
ist und in die Vorrichtung zum Zusammenbau der beiden Halbschalen des
Innenmantels des in Fig. 6 dargestellten Verdichtergehäuses integriert ist,
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Fig. 10 zeigt ein Detail einer Vorrichtung, die für den Zusammenbau der in Fig. 7
dargestellten Vorrichtung zur Steuerung des Innendurchmessers des
Verdichtergehäuses verwendet wird.
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Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Verdichtergehäuse 1 für eine Turbomaschiene
nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt einen radial äußeren
Mantel 2, der in jedem seiner Endbereiche radiale Flansche 3 bzw. 4 aufweist, die nach
außen gerichtet sind und die durch irgendein bekanntes Mittel, z.B. durch
Schraubenbolzen 5 und 6 mit den Flanschen 7 und 8 eines benachbarten Gehäuses
verbunden sind, sowie einen Innenmantel 9, der in radialem Abstand von dem radial
äußeren Mantel 2 angeordnet ist und, in einer für Achsialverdichter an sich bekannten
Konstruktionsart, eine gewisse Anzahl von kreisförmigen Reihen fester Schaufeln trägt,
die Statorstufen 10, 11, 12 bilden. In dem die Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind drei derartige Statorstufen vorgesehen, zwischen denen die Stufen 13, 14, 15 der
beweglichen Schaufeln des Verdichterrotors versetzt angeordnet sind. Der Außenmantel
3 und der Innenmantel 9 sind in ebenfalls an sich bekannter Weise in der Höhe radialer
Lappen, wie der Lappen 17 und 18, durch mit Stiften und Nuten arbeitende
teleskopische Vorrichtungen 16 miteinander verbunden. Diese Verbindungsvorrichtungen
16, die gleichmäßig verteilt sind und von denen bei dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel insgesamt sechs Stück vorgesehen sind, sind in zwei in Langsrichtung
voneinander beabstandeten Reihen angeordnet.
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Der Gehäuseinnenmantel 9 besteht ebenfalls aus zwei Halbschalen 19 und 20. Diese sind
durch erfindungsgemäß ausgestaltete Mittel miteinander verbunden, die eine
Vorrichtung zur Regelung des Innendurchmesseres des Verdichtergehäuses 1 bilden und in Fig.
2 bis 5 im Detail dargestellt sind. Jede Halbschale 19 und 20 besitzt in jedem ihrer
Endbereiche einen Längsflansch 21 bzw. 22, die bei dem zusammengebauten Verdichter in
einer horizontalen Ebene liegen. Diese Flansche 21 und 22 der Halbschalen sind
erfindungsgemäß nicht starr und direkt miteinander verbunden sondern haben geringen
Abstand voneinander. In dem so gebildeten Zwischenraum befindet sich ein Balgen 23, der
Fig. 4 in einer vergrößerten Detailansicht dargestellt ist. Der Balgen 23 ist mit seinen
beiden Enden jeweils mit einem der Flansche 21 und 22 der Gehäusehalbschalen 19 und
20 verbunden. Ein im wesentlichen C-förmiges nachgiebiges Verbindungselement 24,
das den Balgen 23 und die Flansche 21 und 22 überbrückt, ist mit seinen beiden Enden
25 und 26 direkt mit jeweils einer der beiden Halbschalen 19 bzw. 20 gelenkig
verbunden. Bei dem in Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind beispielsweise
vier Balgen 23 und eine gleiche Anzahl von nachgiebigen Elemente 24 vorgesehen. Ein
Leitungssystem zur Luftzuführung, das durch den Pfeil 27 symbolisch angedeutet ist,
speist in jeden Balgen 23 Luft ein, die auf der stromabwärtigen Seite des Verdichters
entnommen wird. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann der Lufteintritt in den Balgen 23 durch
eine in den Flansch 21 angebrachte Öffnung 28 und eine an dem Eingang angebrachte
Kammer 29 erfolgen. Die Dichtigkeit zwischen den beiden Halbschalen 19 und 20 wird
duch longitudinale Zungen 30 gewährleistet, die in den Nuten angeordnet sind, die in
der Dickenausdehnung der Halbschalen in Höhe ihrer Verbindungsstelle vorgesehen
sind. Außerdem sind Sicherheitsvorrichtungen vorgesehen, die jeweils einen Stab 31
umfassen, der einen Steg zwischen den Flanschen 21 und 22 bildet und der in Fig. 4
und 5 erkennbar ist. Durch diese Sicherheitsvorrichtungen ist gewährleistet, daß der
Innendurchmesser des Verdichtergehäuses einen vorgegebenen Mindestwert nicht
unterschreiten kann
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Im folgenden sei die Funktion der vorangehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Regelung des Gehäuseinnendurchmessers erläutert: Eine Luftentnahme, die
beispielsweise auf der stromabwärtigen Seite des Gehäuses 1 durchgeführt wird, erzeugt
zwischen dem Außenmantel 2 und dem Innenmantel 9 des Gehäuses einen Druck P1.
Eine Speisung 25 bewirkt in jedem Balgen 23 einen Luftdruck P2. Jede Vergrößerung
des Strömungsdrucks am Ausgang des Verdichters betätigt die Regelungsvorrichtung
und vergrößert den Innendurchmessers des Gehäuses 1. Die Verformung und die
Verlängerung der Balgen 23 üben auf jeden Flansch 21 oder 22 des Gehäuseinnenmantels 9
Momente aus. Die Halbschalen 19 und 20 erfahren ausschließlich Biegeverformungen,
so daß man eine Durchmesservergrößerung ohne ovale Verformung erhält, während die
Halbschalen 19 und 20 durch die Balgen 23 voneinander entfernt werden, wobei sie von
den nachgiebigen Elementen 24 gehalten werden. Außerdem ist in den teleskopischen
Verbindungselementen 16 zwischen den Innenmantel 9 und dem Aussenmantel 2 des
Gehäuses ein Spiel zwischen den Stiften und Nuten vorgesehen, um eine nichtradiale
Verschiebung der Stifte in den Nuten zu ermöglichen.
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Ein Abfall des Strömungsdrucks am Ausgang des Verdichters führt den
Innendurchmesser des Gehäuses auf seinen ursprünglichen Wert zurück. Auf dieser Weise wird die
Regelung des Innendurchmessers des Gehäuses, die ein objektives Spiel zwischen den
Enden der beweglichen Schaufeln des Rotors und dem entsprechenden Durchmessers des
Gehäuses ermöglicht, ohne Energieverbrauch bewerkstelligt.
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Das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung, das vorrangehend unter Bezugnahme auf
Fig. 1 bis 5 beschrieben wurde, läßt sich auf verschiedene Weise variieren. So zeigen
Fig. 6 bis 10 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zur Bezeichnung von
Teilen und Elementen, die mit Teilen und Elementen des ersten Ausführungsbeispiels
identisch sind oder die eine äquivalente Funktion haben, wurden Bezugszeichen
verwendet, die gegenüber denjenigen, die bei der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels
benutzt wurden, um die Zahl 100 vergrößert sind. So besteht das Gehäuse 101 des
Turbomaschinenverdichters in analoger Weise aus einem äußeren Mantel 102 zwischen
zwei Flanschen 103 und 104, die mit den Flanschen 107 und 108 durch
Schraubenbolzen 105 und 106 verbunden sind, und einem inneren Mantel 109 aus zwei
Halbschalen 119 und 120, der die Statorstufen mit festen Schaufeln 110, 111,112 und 112a
trägt, die sich zwischen Rotorstufen mit beweglichen Schaufeln 113, 114, 115, 115a und
115b befinden. Die beiden Halbschalen 119 und 120 weisen weiterhin Längsflansche
121 und 122 auf, die geringfügigen Abstand voneinander haben und durch Balgen 123
miteinander verbunden sind. Diese werden über ein Leitungssystem 127 mit Luft
gespeist, die stromabwärts des Verdichters entnommen wird. Man findet weiterhin die
Dichtungszungen 130 sowie die Sicherheitsvorrichtungen mit Stäben 131, die in Fig. 8
und 9 erkennbar sind. Die bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehene Variante
betrifft die zusätzlichen nachgiebigen Verbindungsmittel zwischen den beiden Flanschen
121 und 122 der Halbschalen 119 und 120 des Innenmantels 109 des Verdichtergehäuses
gemäß der Erfindung. Wie in Fig. 7 und 8 näher dargestellt, bestehen diese
nachgiebigen Verbindungsmittel aus zwei Hebelarmen 124a und 124b im Bereich jedes Balgens
123. Jeder dieser Hebelarme 124a oder 124b ist mit einem seiner Enden 125 bzw 126
direkt an einer Halbschale 119 bzw 120 angelenkt, während ihr anderes Ende 125a oder
126a mit dem Gehäuseaußenmantel 102 über einen elastischen Flansch 32 fest
verbunden ist. Bei dem in Fig. 6 bis 10 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind sechs
Balgen 123 vorgesehen, denen eine gleiche Anzahl von Hebelarmpaaren 124a und 124b
zugeordnet ist.
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Die Funktion der Vorrichtung zur Regelung des Gehäuseinnendurchmessers ist bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel die gleiche wie dem oben anhand von Fig. 1 bis 5
beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Eine weitere Besonderheit des zweiten
Ausführungsbeispiels betrifft den Zusammenbau der Einheit. Wie im einzelnen aus Fig. 10
hervorgeht, verwendet man Elemente 33, um die Hebelarme 124a oder 124b während
der Positionierung des elastischen Flansches 32 in ihrer Position zu halten. Die
Elemente 33 werden anschließend entfernt.
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Die Vorrichtung zur Steuerung des Innendurchmessers des Innengehäuses sowohl nach
dem ersten als auch nach dem zweiten Ausführungsbeispiel kann mit zusätzlichen
Vorrichtungen kombiniert werden. Wie aus Fig. 1 für das erste Ausführungsbeispiel und in
Fig. 6 für das zweite Ausführungsbeispiel dargestellt, sind an jedem Ende des Gehäuses
zwischen Innenmantel 9 oder 109 und Außenmantel 2 oder 102 dichte Wandungen 34,
35 oder 134, 135 vorgesehen, die so eine dichte Kammer zwischen den beiden Mänteln
bilden. Der in dieser Kammer herrschende Unterdruck P1 kann dann ebenfalls gesteuert
werden, indem man der Luftentnahme auf der stromaufwärtigen Seite des Gehäuses, die
die Kammern speist, ein Ventil zuordnet. Die (nicht dargestellte) Vorrichtung zur
Steuerung des Ventils kann z.B. durch einen Betriebsparameter der Turbomaschine oder
durch eine Messung des Spiels geführt werden, das im Betrieb zwischen dem Rotor und
dem Stator des Verdichters tatsächlich auftritt.