EP2527600A1

EP2527600A1 - Turbo machine

Info

Publication number: EP2527600A1
Application number: EP12167451A
Authority: EP
Inventors: Jaroslaw Szwedowicz; Alexey Mozharov; Stefan Irmisch
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2012-11-28
Also published as: US20120301280A1; RU2549922C2; JP6025398B2; CN102797513A; US9169741B2; CH704995A1; RU2012121355A; JP2012246923A; CN102797513B

Abstract

The turbomachine has stationary component and rotating component e.g. rotor (12) between which clearance (g1) is formed. The clearance has two values in stationary and steady-state operations of machine, respectively. The clearance has a value which traverses a curve having extreme value on account of different time variation of rotational speed and thermal expansion of components during transient operating phase between both operations. A self-adjusting device (20) has non-linear compensation mechanism that reduces or compensates extreme value during transient operating phase.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbomaschinen wie zum Beispiel Gasturbinen, Dampfturbinen, Flugzeugtriebwerke, stationäre Verdichter oder Turbolader. Sie betrifft eine Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to the field of turbomachinery such as gas turbines, steam turbines, aircraft engines, stationary compressors or turbochargers. It relates to a turbomachine according to the preamble of claim 1.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Die Minimierung der Spiele, insbesondere der radialen Spiele zwischen stationären und rotierenden Teilen einer Turbomaschine während des Betriebs ist entscheidend für die Minimierung von Strömungsverlusten und damit für die Maximierung des Wirkungsgrades solcher Maschinen. Zur Illustration zeigt Fig. 1 ein Beispiel einer Turbomaschine 10 in Form einer Verdichter-Anordnung mit einer auf einer (um eine Achse 13) rotierenden Welle 12 sitzenden Laufschaufel 14 und einer an einem Gehäuse 11 befestigten Leitschaufel 15. Durch Minimierung der radialen Spiele C_b und C_v zwischen der Spitze der Laufschaufel 14 und dem gegenüberliegenden Gehäuse 11 beziehungsweise der Spitze der Leitschaufel 15 und der gegenüberliegenden Welle 12 können die Strömungsverluste reduziert werden.The minimization of the games, in particular the radial play between stationary and rotating parts of a turbomachine during operation is crucial for minimizing flow losses and thus for maximizing the efficiency of such machines. For illustration shows Fig. 1 an example of a turbomachine 10 in the form of a compressor arrangement with a on a (about an axis 13) rotating shaft 12 seated blade 14 and By minimizing the radial clearance C _b and C _v between the tip of the blade 14 and the opposite housing 11 and the tip of the vane 15 and the opposite shaft 12, the flow losses can be reduced.

Aufgrund der relativen Bewegung, z.B. zwischen der Schaufelspitze der Laufschaufel 14 und dem Gehäuse 11, ist es nicht möglich, das radiale Spiel zu Null zu setzen. Eine Berührung zwischen beiden Teilen während des Betriebes kann zur Beschädigung oder sogar zur vollständigen Zerstörung der Teile führen.Due to the relative movement, e.g. between the blade tip of the blade 14 and the housing 11, it is not possible to set the radial clearance to zero. Contact between the two parts during operation may damage or even completely destroy the parts.

Grundsätzlich gilt, dass die radialen Spiele während des Betriebes (sog. "Heiss-Spiele") durch eine Reihe von Faktoren bestimmt werden, die bei der Konstruktion einer solchen Maschine berücksichtigt werden müssen, wenn die Zusammenbauspiele (sog. "Kalt-Spiele", beim Stillstand der kalten Maschine) bestimmt werden:

● die Herstellungstoleranzen der einzelnen Bauteile;
● die Zusammenbautoleranzen;
● die Ausdehnung der Schaufeln während des Betriebs aufgrund thermischer Effekte und Zentrifugalkräfte;
● die Deformation von Welle und Gehäuse im stationären Betrieb (z.B. in Form der sogenannten "Ovalisierung") und
● zeitabhängige Deformationen und relativen Bewegungen aller Bauteile während des transienten Maschinenbetriebs (betriebliche Übergangsphase der Maschine), wie zum Beispiel dem Aufstarten oder dem Abschalten der Maschine.

Basically, the radial plays during operation (so-called "hot games") are determined by a number of factors that must be taken into account in the construction of such a machine, if the assembly games (so-called "cold games", when the cold machine is at a standstill):

● the manufacturing tolerances of the individual components;
● the assembly tolerances;
● the expansion of the blades during operation due to thermal effects and centrifugal forces;
● the deformation of shaft and housing in stationary operation (eg in the form of so-called "ovalization") and
● Time-dependent deformations and relative movements of all components during transient machine operation (operational transition phase of the machine), such as the startup or shutdown of the machine.

Insbesondere die zeitabhängigen Deformationen und Relativbewegungen der Hauptkomponenten während des transienten Betriebs sind von Bedeutung für die Bestimmung des Kalt-Spiels und dem daraus resultierenden Heiss-Spiel. Das Ziel ist, das Kalt-Spiel in solcher Weise zu bestimmen, dass während des stationären Betriebs das resultierende Heiss-Spiel minimal ist. Aufgrund der unterschiedlichen Zeitkonstanten in der mechanischen und thermischen Verformung der Schaufeln, der Gehäuseteile und der Wellen während des Aufwärmens oder Abkühlens der Maschine wird das minimale Heiss-Spiel nicht notwendigerweise im heissen stationären Betrieb auftreten, wo das minimale Spiel wünschenswert ist. In der Regel wird das kleinste mögliche Spiel (sog. "pinch point") während einer transienten Betriebsphase auftreten, insbesondere wenn man berücksichtigt, dass die Maschine auch schnellen Lastwechseln unterworfen ist oder gestartet werden kann, wenn wesentliche Komponenten von einer vorherigen Betriebsperiode noch heiss sind. In einem solchen Fall ist es notwendig, dass Kalt-Spiel so weit zu vergrössern, dass ein harter Kontakt zwischen stationären und rotierenden Teilen während des transienten Betriebes vermieden wird, was dann konsequenterweise unter stationären Bedingungen zu einem Heiss-Spiel führt, welches grösser ist als erwünscht.In particular, the time-dependent deformations and relative movements of the main components during the transient operation are of importance for the determination of the cold-game and the resulting hot-game. The goal is to determine the cold clearance in such a way that during stationary operation the resulting hot clearance is minimal. Due to the different Time constants in the mechanical and thermal deformation of the blades, housing parts, and shafts during the warm-up or cool down of the machine will not necessarily cause the minimum hot clearance in hot steady state operation where minimum clearance is desirable. In general, the smallest possible play (so-called "pinch point") will occur during a transient operating phase, especially considering that the machine is also subject to rapid load changes or can be started when significant components of a previous operating period are still hot , In such a case, it is necessary to increase cold clearance to such an extent that hard contact between stationary and rotating parts during transient operation is avoided, which consequently leads, under steady state conditions, to a hot clearance which is greater than he wishes.

Bekannte Massnahmen zur Minimierung der Strömungsverluste, die durch verbleibende Heiss-Spiele verursacht werden, sind zum Beispiel die Einführung von Deckbändern an den Spitzen der Lauf- und Leitschaufelblätter. Um die Strömung durch den Ringspalt zwischen Deckband und Gehäuse oder Rotor zu minimieren, werden häufig eine oder mehrere Rippen in Umfangsrichtung auf dem rotierenden Teil vorgesehen, während die Oberfläche des stationären Teils eben oder abgestuft sein kann, um insgesamt eine Labyrinth-artige Dichtung zu bilden. Darüber hinaus können sog. Honeycombs (wabenartiges Material) an der Oberfläche des stationären Teils angeordnet werden, um den Rippen das Einschneiden während der transienten Betriebszustände zu ermöglichen, um so einen harten Kontakt zu vermeiden. Die dabei resultierende Konfiguration aus rotierendem Teil und eingeschnittenen Honeycomb ähnelt einer abgestuften Labyrinthdichtung und hilft die Strömungsverluste gegenüber einer Konfiguration ohne Honeycomb zu verringern. Weitere bekannte Massnahmen zur Minimierung der Heiss-Spiele bestehen darin, sogenannte Blatt- oder Bürstendichtungen am stationären Teil anzubringen, die Veränderungen im Spiel während betrieblicher Übergangsphasen bis zu einem gewissen Grade ausgleichen können. Schliesslich kann eine Kombination aus z.B. abreibenden Elementen und abreibbaren Beschichtungen auf der Gegenseite benutzt werden, um den negativen Effekt der über den Umfang auftretenden Spielvariationen abzuschwächen, die beispielsweise durch die Ovalisierung von strukturellen Teilen oder eine gewisse Exzentrizität der Welle innerhalb des Gehäuses hervorgerufen werden können.Known measures for minimizing the flow losses caused by remaining hot games include, for example, the introduction of shrouds at the tips of the blades and vanes. To minimize flow through the annular gap between shroud and housing or rotor, one or more ribs are often circumferentially provided on the rotating member, while the surface of the stationary member may be planar or stepped to form a total of a labyrinth-like seal , In addition, so-called honeycombs (honeycomb material) can be placed on the surface of the stationary part to allow the ribs to be cut during transient operating conditions so as to avoid hard contact. The resulting rotating part configuration and honeycomb cut resembles a stepped labyrinth seal and helps reduce flow losses over a configuration without honeycomb. Other known measures to minimize the hot-games are to apply so-called blade or brush seals to the stationary part, which can compensate for changes in play during operational transients to some extent. Finally, a combination of eg abrading elements and abradable coatings on the opposite side can be used to mitigate the negative effect of circumferentially occurring game variations, which may be caused, for example, by the ovalization of structural parts or some eccentricity of the shaft within the housing.

Während alle bisher erwähnten Lösungen rein passiver Natur sind, die eine Minimierung des Heiss-Spiels ohne irgendeine aktive Anpassung der Geometrie während des Betriebs ermöglichen, gibt es auch eine Anzahl von bekannten aktiven Massnahmen zur Spielverringerung.While all previously mentioned solutions are purely passive in nature, allowing for minimization of hot clearance without any active adaptation of the geometry during operation, there are also a number of known active measures for game reduction.

So ist beispielsweise ein System bekannt, wo der gesamte Rotor in axialer Richtung verschoben wird, wenn die Maschine ihren stationären Betriebzustand erreicht hat. Im Zusammenwirken mit einem konischen Strömungskanal ermöglicht dies, die radialen Spiele in der heissen Turbine aktiv zu minimieren, wobei eine Kombination mit den oben beschriebenen passiven Massnahmen grundsätzlich möglich ist. Da jedoch der ganze Rotor bewegt werden muss, ergeben sich Vergrösserungen der radialen Spiele auf der Verdichterseite. Daher ist diese Massnahme nur von Vorteil, solange die Reduzierung der Verluste in der Turbine die zusätzlichen Verlust auf der Kompressorseite überwiegen.For example, a system is known where the entire rotor is displaced in the axial direction when the machine has reached its steady-state operating condition. In cooperation with a conical flow channel, this makes it possible to actively minimize the radial clearance in the hot turbine, whereby a combination with the passive measures described above is fundamentally possible. However, since the whole rotor has to be moved, there are enlargements of radial play on the compressor side. Therefore, this measure is only advantageous as long as the reduction of losses in the turbine outweigh the additional losses on the compressor side.

Anstelle einer Verschiebung der Welle schlagen andere Lösungen vor in jeder Turbinenstufe entweder die radiale thermische Ausdehnung der Schaufeln zu steuern, oder ein Federsystem einzusetzen, welches eine zusätzliche radiale Bewegung der Hitzeschilde oberhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur ermöglicht.Instead of shifting the shaft, other solutions suggest either controlling the radial thermal expansion of the blades in each stage of the turbine, or employing a spring system which allows additional radial movement of the heat shields above a predetermined limit temperature.

Bekannt ist der Einsatz von Verstellmitteln zum linearen Verstellen des Spieles oder auch von federnd nachgiebigen Lagerungsmitteln. Letzteres wird beispielsweise in EP 1 467 066 A2 beschrieben. Mit diesen technischen Lösungen ist es aber nicht möglich, einen Extremwert im Spiel in einer betrieblichen Übergangsphase der Maschine zu kompensieren.The use of adjusting means is known for the linear adjustment of the game or of resilient mounting means. The latter is used for example in EP 1 467 066 A2 described. With these technical solutions However, it is not possible to compensate for an extreme value in the game in an operational transition phase of the machine.

Das Dokument US 2009/0226327 A1 beschreibt eine Blende, hergestellt aus einer sog. Gedächtnislegierung, die in die Rotorscheibe eingebaut ist. Abhängig von den lokalen Temperaturen steuert diese Blende die Menge des Kühlmittelstromes in die Turbinenschaufel. Durch Reduzierung des Kühlmittelstroms expandiert die Schaufel thermisch und verringert so den radialen Spalt zwischen Schaufelspitze und dem gegenüberliegenden stationären Bauteil. Durch Erhöhung des Kühlmittelstroms reduziert sich die Schaufellänge und vergrössert so den radialen Spalt.The document US 2009/0226327 A1 describes a diaphragm made of a so-called. Memory alloy, which is installed in the rotor disk. Depending on the local temperatures, this orifice controls the amount of coolant flow into the turbine blade. By reducing the coolant flow, the blade thermally expands, thereby reducing the radial gap between the blade tip and the opposing stationary component. Increasing the coolant flow reduces the blade length and thus increases the radial gap.

Die Druckschrift in GB 2 354 290 beschreibt ein Ventil hergestellt aus einer Gedächtnislegierung eingebaut in dem Kühlkanal einer Gasturbinenschaufel. Das Ventil reguliert den Verbrauch von Kühlmittel in Abhängigkeit von der Temperatur des Bauteils. Eine Steuerung des radialen Spiels für Laufschaufeln und Leitschaufeln ist nicht beschrieben in diesem Dokument.The publication in GB 2 354 290 describes a valve made of a memory alloy installed in the cooling passage of a gas turbine blade. The valve regulates the consumption of coolant depending on the temperature of the component. Control of the radial clearance for blades and vanes is not described in this document.

Die Druckschrift US 7,686,569 beschreibt ein System für die axiale Bewegung eines Schaufelrings, die durch eine am Schaufelring anliegende Druckdifferenz, die thermische Ausdehnung oder Kontraktion einer Verbindung oder durch einen Kolben hervorgerufen wird. Eine Gedächtnislegierung kann die notwendige Bewegung ebenfalls veranlassen.The publication US 7,686,569 describes a system for the axial movement of a blade ring, which is caused by a pressure difference applied to the blade ring, the thermal expansion or contraction of a connection or by a piston. A memory alloy can also induce the necessary movement.

Grundsätzlich können unterschiedliche passive, halb-aktive oder aktive Systeme, sowie Kombinationen hieraus für die Kontrolle der Spiele zwischen rotierenden und stationären Bauteilen in Erwägung gezogen werden. Die Spiele C_b oder C_v, welche den relativen Abstand zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente beschreiben (Fig. 1), variieren während transienten Betriebszuständen infolge der unterschiedlichen und zeitabhängigen thermischen und mechanischen Verformungen der Komponenten. Der tatsächliche zeitliche Verlauf hängt von vielen Faktoren, wie dem Volumen der Komponenten, dem Kontakt mit heissen oder kalten Medien und den thermischen Eigenschaften der verwendeten Legierungen ab.In principle, different passive, semi-active or active systems, as well as combinations thereof, may be considered for controlling the games between rotating and stationary components. The games C _b or C _v , which describe the relative distance between a rotating and a stationary component ( Fig. 1 ) vary during transient operating conditions due to the different and time-dependent thermal and mechanical deformations of the components. The actual time course depends on many factors, such as the volume of the components, the Contact with hot or cold media and the thermal properties of the alloys used.

Aufgrund dieser zeitlich unterschiedlichen Verformungen muss gemäss Fig. 2(a) das "heisse" Spiel C_b (bei Laufschaufeln) oder C_v (bei Leitschaufeln) neben einem Sicherheitsspiel C_s auch einen transienten Anteil g_t,min enthalten. Dieser transiente Anteil muss bei der Definition der Spiele im kalten gebauten Zustand, C_β,o,min und C_β,o,max, mitberücksichtigt werden.Due to these temporally different deformations must be in accordance with Fig. 2 (a) the "hot" game C _b (with blades) or C _v (with vanes) in addition to a safety game C _s also a transient proportion g _{t, min} contained. This transient component must be taken into account in the definition of games in the cold state, C _{β, o, min} and C _{β, o, max} .

Fig. 2 zeigt in der Teilfigur 2(a) ein Beispiel für die Veränderung über der Zeit t des Spiels zwischen rotierenden und stationären heissen Teilen für stationäre Betriebsphasen (st) und transiente Betriebsphasen (tr), wobei - wie bereits erwähnt - C_s ein Sicherheitsspiel darstellt , g_a ein Toleranzband aufgrund der Herstellungs- und Montagetoleranzen der Bauteile ist, g_t,min und g_t,max die minimalen und maximalen Differenzen zwischen dem Spiel im stationären Zustand und dem minimalen Spiel darstellen , C_β,min und C_β,max die minimalen und maximalen Spiele für die nominalen ("heissen") Betriebsbedingungen bedeuten, und C_β,o,min und C_β,o,max die entsprechenden minimalen und maximalen Spiele bei Stillstand ("kalte" Betriebsbedingung) darstellen (der Index β steht dabei für "b" resp. Laufschaufel oder "v" resp. Leitschaufel, siehe Fig. 1). Fig. 2 Figure 2 (a) shows an example of the change over time t of the game between rotating and stationary hot parts for stationary operating phases (st) and transient operating phases (tr), where - as already mentioned - C _{s represents} a safety game, g _{a is} a tolerance band due to the manufacturing and assembly tolerances of the components, g _{t, min} and g _{t, max represent} the minimum and maximum differences between the steady-state clearance and the minimum clearance, C _{β, min} and C _{β, max} the mean minimum and maximum games for the nominal ("hot") operating conditions, and C _{β, o, min} and C _{β, o, max represent} the corresponding minimum and maximum games at standstill ("cold" operating condition) for "b" or blade or "v" or vane, see Fig. 1 ).

Fig. 2(b) und (c) zeigen mögliche Variationen der Rotationsgeschwindigkeit Ω der Welle 12, der Temperatur T des Arbeitsmittels (Heissgas) und der Metalltemperatur T_m über der Zeit t, wobei Ω_n und T_n entsprechend die nominale Rotationsgeschwindigkeit und nominale Heissgastemperatur in der Maschine bedeuten. Die Metalltemperatur T_mn bezeichnet die nominale Temperatur der Welle und/oder einer anderen mechanischen Komponente beim stationären Betrieb der Maschine. t_Ωn und t_Tn sind dabei die Zeitpunkte, zu denen die stationären Werte Ω_n und T_n erreicht werden. Fig. 2 (b) and (c) show possible variations in the rotational speed Ω of the shaft 12, the temperature T of the working fluid (hot gas) and the metal temperature T _m over time t, where Ω _n and T _n respectively represent the nominal rotational speed and nominal hot gas temperature in the engine. The metal temperature T _mn denotes the nominal temperature of the shaft and / or another mechanical component during stationary operation of the machine. t _Ωn and t _Tn are the times at which the stationary values Ω _n and T _{n are} reached.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch ein rotierendes Bauteil (im Beispiel eine Laufschaufel 14), welches mit einem Fuss 16 in einer entsprechenden Aufnahme im Rotor (Welle 12) befestigt ist, bei Stillstand der Maschine (Fig. 3(a)) und unter nominalen stationären Betriebsbedingungen (Fig. 3(b)). Der gezeigte Fuss 16 ist dabei repräsentativ für jede beliebige Fussgeometrie, wie zum Beispiel einen Tannenbaumfuss, einen Schwalbenschwanzfuss oder einen Hammerkopffuss. Er greift mit Fingern 18 in entsprechende seitliche Nuten 17 in der Aufnahme, z.B. im Rotor ein. Fig. 3 shows the cross section through a rotating member (in the example, a blade 14), which with a foot 16 in a corresponding receptacle in the rotor (shaft 12) is fixed, at standstill of the machine ( Fig. 3 (a) ) and under nominal steady-state operating conditions ( Fig. 3 (b) ). The foot 16 shown is representative of any foot geometry, such as a fir tree foot, a dovetail foot or a hammerhead foot. He engages with fingers 18 in corresponding lateral grooves 17 in the recording, for example in the rotor.

Die Zentrifugalkraft bringt einen oder mehrere der Finger 18 des Fusses 16 in Kontakt mit dem Rotor 12 (Fig. 3(b)). Bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit verhinderte ein Federelement 19, dass der Fuss 16 in der Aufnahme bei langsamen Rotationsgeschwindigkeiten klappert. Bei nominaler Rotationsgeschwindigkeit und nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes aller Komponenten der Maschine werden Spiele C_b oder C_v gemäss Fig. 1 erreicht. Die Bezeichnung g_a steht hierbei wiederum für das Toleranzband aus Fertigungs- und Montagetoleranzen und ist hier exemplarisch zwischen Finger 18 und der Rotoraufnahme bei Stillstand der Maschine dargestellt.The centrifugal force brings one or more of the fingers 18 of the foot 16 into contact with the rotor 12 (FIG. Fig. 3 (b) ). At low rotational speed, a spring element 19 prevented the foot 16 from rattling in the receptacle at slow rotational speeds. At nominal rotational speed and after reaching the thermal equilibrium of all components of the machine, games C _b or C _{v are made} Fig. 1 reached. In this case, the designation g _{a again} stands for the tolerance band from production and assembly tolerances and is shown here by way of example between finger 18 and the rotor receptacle when the machine is at a standstill.

Beim Anfahren der Maschine ist die thermische Ausdehnung der Beschaufelung typischerweise sehr viel schneller als die der Gehäuseteile oder der Rotorwelle, die aufgrund ihrer grösseren Masse eine höhere thermische Trägheit haben als die Schaufeln. Das bedeutet, dass das Aufheizen und damit die thermische Ausdehnung der Welle oder anderer Strukturteile fortdauert, selbst nachdem das Arbeitsmittel bereits die nominale Betriebstemperatur T_n erreicht hat (Zeitpunkt t_Tn in Fig. 2(c)). Dieser Umstand führt zum Auftreten eines sogenannten "pinchpoints", d.h. eines Zeitpunktes während der Aufwärmphase, bei dem das radiale Spiel seinen Minimalwert erreicht (siehe Fig. 2(a)). Aus diesem Grunde muss für die nominale stationäre Betriebsbedingung das resultierende minimalen Spiel C_b,min (oder C_v,min) ein Sicherheitsspiel C_s beinhalten sowie einen minimalen transienten Beitrag zum Spalt, g_t,min. Dieser muss bei der Auslegung der Maschine analytisch bestimmt werden und hängt von den thermischen Randbedingungen, Dimensionen und Materialeigenschaften der rotierenden und stationären Bauteile ab. Die transienten Beiträge zum Spalt, g_t,min und g_t,max, verhindern, dass die Schaufelspitzen am stationären Gehäuse oder stationären Hitzeschilden bzw. am Rotor oder den Rotor-Hitzeschilden reiben.When starting the machine, the thermal expansion of the blading is typically much faster than that of the housing parts or the rotor shaft, which have a higher thermal inertia than the blades due to their larger mass. This means that the heating and thus the thermal expansion of the shaft or other structural parts continues even after the working fluid has already reached the nominal operating temperature T _n (time t _Tn in _FIG Fig. 2 (c) ). This circumstance leads to the occurrence of a so-called "pinch point", ie a point in time during the warm-up phase at which the radial clearance reaches its minimum value (see Fig. 2 (a) ). For this reason, for the nominal stationary operating condition, the resulting minimum clearance C _{b, min} (or C _{v, min} ) must include a safety clearance C _s and a minimum transient contribution to the gap, g _{t, min} . This must be determined analytically when designing the machine and depends on the thermal boundary conditions, dimensions and material properties of the rotating and stationary components. The transient contributions to the gap, g _{t, min} and g _{t, max} , prevent the Blade blade tips on the stationary housing or stationary heat shields or on the rotor or the rotor heat shields.

Unter der nominalen stationären Betriebsbedingung, wenn alle rotierenden und stationären Teile ihre maximalen thermischen und mechanischen Verformungen erreicht haben, ist der transiente Beitrag zum "pinch-point"-Spalt (g_t) ein wesentlicher Teil des Spiels im "heissen" stationären Zustand, C_b,min (oder c_v,min).Under the nominal steady state operating condition, when all rotating and stationary parts have reached their maximum thermal and mechanical deformations, the transient contribution to the "pinch-point" gap (g _t ) is an essential part of the game in the "hot" steady state, C _{b, min} (or c _{v, min} ).

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist nun eine Aufgabe der Erfindung, eine Turbomaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Spiel zwischen rotierenden und stationären Teilen für die verschiedenen Betriebszustände auf einfache Weise optimiert wird.It is now an object of the invention to provide a turbomachine of the type mentioned, in which the game between rotating and stationary parts for the different operating conditions is optimized in a simple manner.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht aus von einer mit erhöhter Betriebstemperatur arbeitenden Turbomaschine mit stationären und rotierenden Komponenten, zwischen denen zur Vermeidung eines reibenden Kontaktes ein Spiel vorgesehen ist, das im Stillstand der Maschine einen ersten Wert und im stationären Betrieb der Maschine einen zweiten Wert einnimmt, und das in einer transienten Betriebsphase zwischen Stillstand und stationärem Betrieb aufgrund unterschiedlicher zeitlicher Verläufe der Rotationsgeschwindigkeit und der thermischen Ausdehnung unterschiedlicher Komponenten eine einen Extremwert aufweisende Kurve durchläuft. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass kompensierende Mittel mit einem nicht-linearen Kompensationsmechanismus zum Abbau bzw. Ausgleich des Extremwertes in der transienten Betriebsphase vorgesehen werden.The object is solved by the entirety of the features of claim 1. The invention is based on operating at an elevated operating temperature turbomachine with stationary and rotating components between which a game is provided to avoid a frictional contact, which assumes a second value at standstill of the machine and a second value in stationary operation of the machine, and in a transient phase of operation between standstill and stationary operation due to different time profiles of the rotational speed and the thermal expansion of different components undergoes a curve having an extreme value. It is characterized in that compensating means are provided with a non-linear compensation mechanism for reducing or compensating for the extreme value in the transient operating phase.

Das der Anmeldung zugrunde liegende Problem des Auftretens eines Extremwertes im Spiel in einer betrieblichen Übergangsphase der Maschine wird dadurch gelöst, dass die vorgesehenen kompensierenden Mittel nicht am Anfang oder Ende des Übergangs ihre maximale Auslenkung aufweisen, sondern im Übergangsbereich selbst, und zwar dort, wo der Extremwert des Spieles auftritt. Dazu wird ein nicht-linearer Kompensationsmechanismus in den kompensierenden Mitteln eingesetzt, der beispielsweise aus zwei gegenläufigen Bewegungen überlagert ist.The problem underlying the application of the occurrence of an extreme value in the game in an operational transition phase of the machine is solved by the fact that the compensating means provided are not at the beginning or end of the transition have their maximum deflection, but in the transition area itself, and where the extreme value of the game occurs. For this purpose, a non-linear compensation mechanism is used in the compensating means, which is superimposed, for example, by two counter-rotating movements.

Eine Ausgestaltung der Turbomaschine nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die kompensierenden Mittel eine Selbstjustiervorrichtung umfassen, welche in Abhängigkeit von äusseren Parametern das Spiel vergrössert oder verkleinert.An embodiment of the turbomachine according to the invention is characterized in that the compensating means comprise a self-adjusting device which increases or decreases the clearance in dependence on external parameters.

Insbesondere ändert die Selbstjustiervorrichtung zur Vergrösserung oder Verkleinerung des Spiels seine Form.In particular, the self-adjusting device changes its shape to increase or decrease the game.

Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Selbstjustiervorrichtung eine vorgegebene Höhe aufweist, und dass die Selbstjustiervorrichtung zur Vergrösserung oder Verkleinerung des Spiels seine Höhe ändert.Another embodiment is characterized in that the Selbstjustiervorrichtung has a predetermined height, and that the Selbstjustiervorrichtung to increase or decrease the game changes its height.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung das Spiel in Abhängigkeit von ihrer Temperatur vergrössert oder verkleinert.A further embodiment of the invention is characterized in that the self-adjusting device increases or decreases the game as a function of its temperature.

Insbesondere weist die Selbstjustiervorrichtung in ihrem Temperaturverhalten eine Hysterese auf.In particular, the self-adjusting device has a hysteresis in its temperature behavior.

Gemäss einer weiteren Ausgestaltung enthält die Selbstjustiervorrichtung ein Bimetall.According to a further embodiment, the self-adjusting device contains a bimetal.

Ebenso ist es denkbar, dass die Selbstjustiervorrichtung eine Formgedächtnislegierung enthält.It is also conceivable that the self-adjusting device contains a shape memory alloy.

Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden Komponenten Laufschaufeln sind, und dass das zu beeinflussende Spiel zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem gegenüberliegenden stationären Gehäuse besteht.Yet another embodiment of the invention is characterized in that the rotating components are moving blades, and that the play to be influenced is between the tips of the moving blades and the opposite stationary housing.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die stationären Komponenten Leitschaufeln sind, und dass das zu beeinflussende Spiel zwischen den Spitzen der Leitschaufeln und dem gegenüberliegenden Rotor besteht.Another embodiment is characterized in that the stationary components are vanes, and that the game to be influenced between the tips of the vanes and the opposite rotor consists.

Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln jeweils mit einem Schaufelfuss in einer Aufnahme im Rotor sitzen und sich mit Abstützmitteln gegen angreifende Zentrifugalkräfte am Rotor abstützen, und dass die Selbstjustiervorrichtung zwischen den Abstützmitteln und den Rotor angeordnet ist.Another embodiment is characterized in that the blades each sit with a blade root in a receptacle in the rotor and supported by supporting means against attacking centrifugal forces on the rotor, and that the Selbstjustiervorrichtung between the support means and the rotor is arranged.

Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung ihre Höhe in radialer Richtung temperaturgesteuert zwischen einem ersten Wert und einen zweiten Wert verändert, und dass die Differenz der beiden Werte zum Extremwert der Kurve des Spiels korrespondiert.Another embodiment is characterized in that the self-adjusting device changes its height in the radial direction in a temperature-controlled manner between a first value and a second value, and that the difference of the two values corresponds to the extreme value of the curve of the game.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung das mechanische Spiel zwischen rotierenden und stationären Teilen in einer Turbomaschine der üblichen Art nach dem Stand der Technik;
Fig. 2: in mehreren Teilfiguren die zeitliche Abhängigkeit des Spiels bei einer Turbomaschine bei Durchlaufen eines transienten Startvorgangs bis zum Erreichen eines stationären Betriebszustands (Fig. 2(a)) sowie die zugehörige zeitliche Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit (Fig. 2(b)) und der Heissgas- und Metalltemperatur (Fig. 2(c));
Fig. 3: in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung die Verankerung eines rotierenden Teils (Laufschaufel) im Rotor bei Stillstand (Fig. 3(a) und unter nominalen stationären Betriebsbedingungen (Fig. 3(b);
Fig. 4: in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung ein selbstjustierendes System zur Steuerung des Spiels bei einer Verankerung gemäss Fig. 3 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5: ein Beispiel für die thermo-mechanische Hysterese eines selbstjustierenden Systems gemäss der Erfindung;
Fig. 6: in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung ein selbstjustierendes System gemäss Fig. 4 bei nominaler Rotationsgeschwindigkeit und
Fig. 7: die zeitliche Abhängigkeit des Spiels bei einer Turbomaschine mit einem selbstjustierenden System gemäss Fig. 4 und 6.

The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Show it:

Fig. 1: in a highly simplified sectional view, the mechanical play between rotating and stationary parts in a turbo machine of the usual type according to the prior art;
Fig. 2: in several subfigures the temporal dependence of the game in a turbomachine when passing through a transient Startup until steady-state operation is achieved ( Fig. 2 (a) ) as well as the associated temporal dependence of the rotational speed ( Fig. 2 (b) ) and the hot gas and metal temperature ( Fig. 2 (c) );
Fig. 3: in a simplified sectional view, the anchoring of a rotating part (moving blade) in the rotor at standstill ( Fig. 3 (a) and under nominal steady-state operating conditions ( Fig. 3 (b) ;
Fig. 4: in a highly simplified sectional view of a self-adjusting system for controlling the game in an anchoring according to Fig. 3 according to an embodiment of the invention;
Fig. 5: an example of the thermo-mechanical hysteresis of a self-adjusting system according to the invention;
Fig. 6: in a greatly simplified sectional view of a self-adjusting system according to Fig. 4 at nominal rotational speed and
Fig. 7: the time dependence of the game in a turbomachine with a self-adjusting system according Fig. 4 and 6 ,

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Anwendung einer Selbstjustiervorrichtung, die ein Bimetall-Element und/oder Formgedächtnislegierungs-Element und/oder ein Element aus einem anderen Material umfasst, welches in einer elastischen, super-elastischen oder pseudo-elastischen Weise oberhalb eines Grenzwertes von Temperatur, Druck oder mechanischer Belastung seiner Form verändert, welches aktiv oder passiv aktiviert wird, und welches in einer Turbomaschine angeordnet ist, um die Spiele während des Betriebes und unter verschiedenen Betriebszuständen zu minimieren. Die Selbstjustiervorrichtung kann dabei in einer Baueinheit einer Turbine, einer Verdichterschaufel, einen Stator- oder Rotor-Hitzeschild, einem Leitschaufelträger oder anderen rotierenden oder stationären Bauteilen untergebracht sein, die am Rotor oder am Gehäuse angebaut sind.The present invention relates to the use of a Selbstjustiervorrichtung comprising a bimetal element and / or shape memory alloy element and / or an element made of another material, which in an elastic, super-elastic or pseudo-elastic Altered above a limit of temperature, pressure or mechanical stress of its form, which is actively or passively activated, and which is arranged in a turbomachine to minimize the games during operation and under various operating conditions. The Selbstjustiervorrichtung can be housed in a structural unit of a turbine, a compressor blade, a stator or rotor heat shield, a guide vane or other rotating or stationary components that are mounted on the rotor or on the housing.

Als Beispiel für den Einsatz der Erfindung wird nachfolgend die Befestigung einer Laufschaufel am Rotor einer Turbine exemplarisch beschrieben. Fig. 4 zeigt eine Selbstjustiervorrichtung 20, die zwischen dem Finger 18 eines Schaufelfusses 16 und der zugehörigen Nut 17 im Rotor 12 angeordnet ist. Die Deformationen der Selbstjustiervorrichtung 20 können charakterisiert werden als

a. durch einen äusseren 2-Wege-Effekt bewirkt, der durch eine einwirkende äussere Kraft wie zum Beispiel die Zentrifugalkraft initiiert wird und/oder
b. durch einen internen 2-Wege-Effekt bewirkt, wie bei einer Formgedächtnislegierung, bei der keine externe Kraft benötigt wird, um die gewünschte Deformation des Systems zu aktivieren.

As an example of the use of the invention, the attachment of a blade to the rotor of a turbine will be described below by way of example. Fig. 4 shows a Selbstjustiervorrichtung 20, which is arranged between the finger 18 of a blade root 16 and the associated groove 17 in the rotor 12. The deformations of the self-aligning device 20 can be characterized as

a. caused by an external 2-way effect, which is initiated by an acting external force such as the centrifugal force and / or
b. by an internal 2-way effect, as in a shape memory alloy, where no external force is needed to activate the desired deformation of the system.

Die Form der Selbstjustiervorrichtung 20 kann weitgehend beliebig sein und hängt generell vom zur Verfügung stehenden Raum ab. Entscheidend bei der Form ist die Höhe, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Im dort dargestellten Beispiel korrespondiert die Höhe der Selbstjustiervorrichtung 20 unter der Bedingung des Stillstands der Maschine zu der Minimaldifferenz g_t,min (dem transienten Spaltbeitrag), die ohne den Einsatz der Selbstjustiervorrichtung 20 vorliegen würde. Während des Hochfahrens der Maschine werden die Zentrifugalkräfte, die auf die Schaufel wirken, über den Finger 18 durch die Selbstjustiervorrichtung 20 auf die Nut 17 im Rotor 12 übertragen. Diese Kräfte wachsen mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit. Die elastischen Eigenschaften der Selbstjustiervorrichtung 20 bei der Höhe g_t verhindern, dass die Vorrichtung flach gedrückt wird. Als Folge davon bleibt das Spiel an der Schaufelspitze bei gleicher Schaufellänge grösser als ohne die Selbstjustiervorrichtung 20. Eine gewisse Abflachung der Selbstjustiervorrichtung 20 aufgrund der mechanischen Belastung kann jedoch akzeptiert werden.The shape of the Selbstjustiervorrichtung 20 can be largely arbitrary and generally depends on the available space. Decisive in the form is the height, as in Fig. 4 is shown. In the example shown there, the height of the self-aligning device 20 under the condition of machine standstill corresponds to the minimum difference g _{t, min} (the transient gap contribution) that would be present without the use of the self-aligning device 20. During start-up of the machine, the centrifugal forces acting on the blade are transmitted via the finger 18 through the self-aligning device 20 to the groove 17 in the rotor 12. These forces increase with increasing rotational speed. The elastic properties of the self-aligning device 20 at the height g _t prevent the device from being pushed flat. As a result, the game at the blade tip remains the same Bucket length greater than without the Selbstjustiervorrichtung 20. However, a certain flattening of the Selbstjustiervorrichtung 20 due to the mechanical stress can be accepted.

Mit zunehmender Leistung, vom Leerlauf zur Volllast, erhöht sich die Temperatur in der Maschine. Im Bezug auf die Rotationsgeschwindigkeit benötigt dieser Aufwärmprozess deutlich mehr Zeit (Fig. 2(b),(c)) und die verschiedenen Teile der Maschine erreichen die stationäre Temperatur T_n zu verschiedenen Zeitpunkten. Typischerweise ist das beim Aufwärmen "langsamste" Bauteil der Rotor. Mit ansteigender Temperatur des Schaufelfusses 16 und des Rotors 12 nimmt aufgrund der Wärmeleitung an den Kontaktflächen und konvektiver Wärmeübertragung durch irgendwelche Heissgasströmungen um den Schaufelfuss 16 herum auch die Temperatur der Selbstjustiervorrichtung 20 zu.With increasing power, from idle to full load, the temperature in the engine increases. In terms of rotational speed, this warm-up process requires significantly more time ( Fig. 2 (b), (c) ) and the various parts of the machine reach the stationary temperature T _n at different times. Typically, the warmest "slowest" component is the rotor. With increasing temperature of the blade root 16 and the rotor 12, the temperature of the self-aligning device 20 also increases due to the heat conduction at the contact surfaces and convective heat transfer due to any hot gas flow around the blade root 16.

Das Material der Selbstjustiervorrichtung 20 ist so konditioniert (trainiert), dass sich seine mechanischen Eigenschaften als Funktion seiner Temperatur T in Einklang mit einem Hysterese-Verhalten verändern, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Bei Stillstand und Umgebungstemperatur ist die Selbstjustiervorrichtung 20 aus ihrem flachen Zustand heraus maximal deformiert durch eine Dehnung ε_t mit εt=σ_t/E, die zum transienten Spaltbeitrag g_t korrespondiert (Fig. 4). Mit zunehmender Temperatur T verändert die Selbstjustiervorrichtung 20 ihre Steifigkeit in Einklang mit der antrainierten Hysterese und wird gemäss Fig. 6 vollständig flach, wenn die vorbestimmte Temperatur T_n erreicht wird. Während des Abschaltens der Maschine folgen die thermo-mechanischen Eigenschaften der Selbstjustiervorrichtung 20 der oberen Kurve der vorprogrammierten Hysterese (siehe Pfeile in Fig. 5).The material of the self-aligning device 20 is conditioned so that its mechanical properties change as a function of its temperature T in accordance with a hysteresis behavior, as shown in FIG Fig. 5 is shown. At standstill and ambient temperature, the Selbstjustiervorrichtung 20 is deformed out of its flat state maximum by an expansion ε _t with εt = σ _t / E, which corresponds to the transient gap contribution g _t ( Fig. 4 ). As the temperature T increases, the self-aligning device 20 changes its rigidity in accordance with the trained hysteresis and becomes Fig. 6 completely flat when the predetermined temperature T _{n is} reached. During engine shutdown, the thermo-mechanical properties of self-aligning device 20 follow the upper curve of pre-programmed hysteresis (see arrows in FIG Fig. 5 ).

Wenn der Selbstjustiervorrichtung 20 die korrekte Höhe (g_t) gegeben wird und sie zu dem erforderlichen elastischen oder super-elastischen oder pseudo-elastischen Verhalten und thermischer Hysterese gebracht wird, das zur zentrifugalen Belastung und dem Aufwärmen und Abkühlen der benachbarten Bauteile passt, ist es möglich, das Auftreten eines transienten "pinch-point"-Spiels zu minimieren oder sogar vollständig zu vermeiden. Als Folge davon nimmt das Spiel im stationären heissen Zustand seinen kleinsten möglichen Minimalwert ein unter Berücksichtigung des minimalen erforderlichen Sicherheitsspiels. Im Idealfall kann die Länge der Schaufel für den Fall ohne Selbstjustiervorrichtung 20 um den Betrag g_t erhöht werden, so dass das minimale resultierende Spiel C_β,o,min gleich C_s ist (siehe Fig. 2(a) und Fig. 7).It is when the self-aligning device 20 is given the correct height (g _t ) and brought to the required elastic or super-elastic or pseudo-elastic behavior and thermal hysteresis that suits the centrifugal load and the warming and cooling of the adjacent components possible to minimize the occurrence of a transient "pinch-point" game or even completely avoided. As a result, the game in the stationary hot state takes its smallest possible minimum value, taking into account the minimum required safety game. Ideally, the length of the blade in the case without Selbstjustiervorrichtung 20 can be increased by the amount g _t , so that the minimum resulting game C _{β, o, min is} equal to C _s (see Fig. 2 (a) and Fig. 7 ).

Fig. 7 zeigt (im Vergleich zu Fig. 2(a)) die zeitliche Veränderung des Spiels an der Spitze einer Laufschaufel mit eingebauter Selbstjustiervorrichtung 20 (Kurven a). Die Kurve C_β(t)_{min red} demonstriert die Möglichkeit, die das Spiel im kalten gebauten Zustand und im warmen Zustand zu reduzieren, indem das Spiel g_t,min eliminiert wird. Fig. 7 shows (compared to Fig. 2 (a) ) The time variation of the game at the top of a blade with built-in Selbstjustiervorrichtung 20 (curves a). The curve C _β (t) _{min red} demonstrates the possibility of reducing the play in the cold built state and in the warm state by eliminating the game g _{t, min} .

Wenn man bedenkt, dass die gleichen Prinzipien auch auf die radiale Bewegung des Stator-Hitzeschildes gegenüber einer Laufschaufelspitze angewendet werden können, hat der Konstrukteur der Maschine grosse Freiheiten, um die Spiele während transienter und stationärer Betriebszuständen einzustellen und zu steuern.Given that the same principles can be applied to the radial movement of the stator heat shield over a blade tip, the machine designer has great freedom to set and control the games during transient and steady state operating conditions.

Wenn man weiterhin bedenkt, dass auch die Möglichkeit besteht, die Kühlluft- und Leckluft-Ströme durch den Rotor und um die Rotor- und Statorteile herum zu beeinflussen, ist es auch möglich, das Verhalten der Selbstjustiervorrichtung 20 aktiv zu steuern.Further, considering that it is also possible to influence the cooling air and leakage air flows through the rotor and around the rotor and stator parts, it is also possible to actively control the behavior of the self-adjusting device 20.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind verschiedene Formgedächtnislegierungen, Bimetalle und/oder andere Materialien mit einem vergleichbaren Verhalten betrachtet worden. Ihre Herstellung und ihr Einbau in ein Bauteil sind nicht detailliert erörtert worden, da sie dem Fachmann auf dem Gebiet der Formgedächtnislegierungen und Bimetalle bekannt sind. So könnte beispielsweise eine NiTi- basierte Formgedächtnislegierung im Bereich des heissen Schaufelfusses in Betracht gezogen werden, deren zulässige Arbeitstemperatur bis hinauf zu 200 °C reicht, wenn eine Kühlung mit Sekundärluft in einer Gasturbine zur Verfügung steht. Ternäre Hochtemperatur-NiTiX-Legierungen und andere, die als Element X Hafnium Hf, Palladium Pd und/oder Platin Pt enthalten, erweitern den Arbeitstemperaturbereich bis hinauf zu 800 °C und mehr. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch andere Materialien/Legierungen Anwendung finden, sofern die die gewünschten und erforderlichen Eigenschaften aufweisen.Various shape memory alloys, bimetals, and / or other materials having comparable performance have been considered within the scope of the present disclosure. Their manufacture and their incorporation into a component have not been discussed in detail since they are known to those skilled in the art of shape memory alloys and bimetals. Thus, for example, a NiTi-based shape memory alloy could be considered in the area of the hot blade root whose allowable working temperature reaches up to 200 ° C when cooling with secondary air is available in a gas turbine. Ternary high-temperature NiTiX alloys and others containing Hafnium Hf, Palladium Pd and / or Platinum Pt as element X extend the working temperature range up to 800 ° C and more. Of course, in the context of the invention, other materials / alloys may be used, provided they have the desired and required properties.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Turbomaschineturbomachinery
1111: Gehäusecasing
1212: Welle (Rotor)Shaft (rotor)
1313: Achseaxis
1414: Laufschaufelblade
1515: Leitschaufelvane
1616: Fuss (Schaufelfuss)Foot (blade foot)
1717: Nutgroove
1818: Fingerfinger
1919: Federelementspring element
2020: SelbstjustiervorrichtungSelbstjustiervorrichtung
CC: Spielgame
C_b C _b: LaufschaufelspielBlade clearance
C_s C _s: Sicherheitsspielmargin of safety
C_v C _v: LeitschaufelspielLeitschaufelspiel
C_β,o,max C _{β, o, max}: Maximalspiel (kalt)Maximum game (cold)
C_β,o,min C _{β, o, min}: Minimalspiel (kalt)Minimal game (cold)
C_β,max C _{β, max}: Maximalspiel (heiss)Maximum game (hot)
C_β,min C _{β, min}: Minimalspiel (heiss)Minimal game (hot)
C_β(t)_min _Cβ (t) _min: Kurve für MinimalspielverlaufCurve for minimal gameplay
C_β(t)_max C _β (t) _max: Kurve für MaximalspielverlaufCurve for maximum play history
C_β(t)_{min red} C _β (t) _{min red}: Kurve für Minimalspielverlauf mit Selbstjustiervorrichtung 20Curve for minimal gameplay with Selbstjustiervorrichtung 20
g_a g _a: Toleranzbandtolerance band
g_t g _t: transienter Spaltbeitragtransient split contribution
g_t,max g _{t, max}: Maximaldifferenz (transienter Spaltbeitrag)Maximum difference (transient split contribution)
g_t,min g _{t, min}: Minimaldifferenz (transienter Spaltbeitrag)Minimum difference (transient split contribution)
ΩΩ: Rotationsgeschwindigkeitrotation speed
Ω_n Ω _n: Rotationsgeschwindigkeit (nominal)Rotational speed (nominal)
stst: stationäre Betriebsphasestationary operating phase
trtr: transiente Betriebsphasetransient operating phase
T_n T _n: Heissgastemperatur (nominal)Hot gas temperature (nominal)
T_mn T _mn: Metalltemperatur (nominal)Metal temperature (nominal)
tt: ZeitTime
TT: Temperaturtemperature
εε: Dehnungstrain
σσ: Spannungtension
Ee: Elastizitätsmodulmodulus of elasticity

Claims

Turbomaschine (10), welche mit erhöhter Betriebstemperatur arbeitet, mit stationären und rotierenden Komponenten (11, 15 bzw. 12, 14), zwischen denen zur Vermeidung eines reibenden Kontaktes ein Spiel (C) vorgesehen ist, das im Stillstand der Maschine einen ersten Wert (C_β,omin; C_β,omax) und im stationären Betrieb (st) der Maschine einen zweiten Wert (C_β,min; C_β,max) einnimmt, und das in einer transienten Betriebsphase (tr) zwischen Stillstand und stationärem Betrieb (st) aufgrund unterschiedlicher zeitlicher Verläufe der Rotationsgeschwindigkeit und der thermischen Ausdehnung unterschiedlicher Komponenten eine einen Extremwert ("pinch-point"; g_t) aufweisende Kurve durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass kompensierende Mittel (20) mit einem nicht-linearen Kompensationsmechanismus zum Abbau bzw. Ausgleich des Extremwertes in der transienten Betriebsphase (tr) vorgesehen werden.Turbomachine (10) which operates at elevated operating temperature, with stationary and rotating components (11, 15 and 12, 14), between which a game (C) is provided to avoid rubbing contact, the machine at a standstill value (C _{β, omin} ; C _{β, omax} ) and in stationary operation (st) of the machine takes a second value (C _{β, min} ; C _{β, max} ), and that in a transient operating phase (tr) between standstill and stationary operation (st) undergoes a curve having an extreme value ("pinch-point", g _t ) due to different temporal courses of the rotational speed and the thermal expansion of different components, characterized in that compensating means (20) with a non-linear compensation mechanism for dismantling resp Equalization of the extreme value in the transient operating phase (tr) can be provided.

Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kompensierenden Mittel eine Selbstjustiervorrichtung (20) umfassen, welche in Abhängigkeit von äusseren Parametern das Spiel (C) vergrössert oder verkleinert.Turbomachine according to Claim 1, characterized in that the compensating means comprise a self-adjusting device (20) which increases or reduces the clearance (C) in dependence on external parameters.

Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) zur Vergrösserung oder Verkleinerung des Spiels (C) seine Form ändert.Turbomachine according to claim 2, characterized in that the Selbstjustiervorrichtung (20) to increase or decrease the game (C) changes its shape.

Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) eine vorgegebene Höhe aufweist, und dass die Selbstjustiervorrichtung (20) zur Vergrösserung oder Verkleinerung des Spiels (C) seine Höhe ändert.Turbomachine according to claim 3, characterized in that the Selbstjustiervorrichtung (20) has a predetermined height, and that the Selbstjustiervorrichtung (20) for increasing or decreasing the game (C) changes its height.

Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) das Spiel (C) in Abhängigkeit von ihrer Temperatur vergrössert oder verkleinert.Turbomachine according to one of claims 2-4, characterized in that the Selbstjustiervorrichtung (20) increases the game (C) in dependence on their temperature or reduced.

Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) in ihrem Temperaturverhalten eine Hysterese aufweist.Turbomachine according to claim 5, characterized in that the Selbstjustiervorrichtung (20) has a hysteresis in its temperature behavior.

Turbomaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) ein Bimetall enthält.Turbomachine according to claim 5 or 6, characterized in that the Selbstjustiervorrichtung (20) includes a bimetal.

Turbomaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) eine Formgedächtnislegierung enthält.Turbomachine according to claim 5 or 6, characterized in that the Selbstjustiervorrichtung (20) includes a shape memory alloy.

Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden Komponenten Laufschaufeln (14) sind, und dass das zu beeinflussende Spiel (C_b) zwischen den Spitzen der Laufschaufeln (14) und dem gegenüberliegenden stationären Gehäuse (11) besteht.A turbomachine according to any one of claims 1-8, characterized in that the rotating components are moving blades (14), and that the play (C _b ) to be influenced is between the tips of the moving blades (14) and the opposite stationary housing (11).

Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die stationären Komponenten Leitschaufeln (15) sind, und dass das zu beeinflussende Spiel (C_v) zwischen den Spitzen der Leitschaufeln (15) und dem gegenüberliegenden Rotor (12) besteht.A turbomachine according to any one of claims 1-8, characterized in that the stationary components are vanes (15) and that the play (C _v ) to be influenced is between the tips of the vanes (15) and the opposed rotor (12).

Turbomaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (14) jeweils mit einem Schaufelfuss (16) in einer Aufnahme im Rotor (12) sitzen und sich mit Abstützmitteln (18) gegen angreifende Zentrifugalkräfte am Rotor (17) abstützen, und dass die Selbstjustiervorrichtung (20) zwischen den Abstützmitteln (18) und den Rotor (12, 17) angeordnet ist.Turbomachine according to claim 9, characterized in that the rotor blades (14) each sit with a blade root (16) in a receptacle in the rotor (12) and are supported by supporting means (18) against attacking centrifugal forces on the rotor (17), and in that Selbstjustiervorrichtung (20) between the support means (18) and the rotor (12, 17) is arranged.

Turbomaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstjustiervorrichtung (20) ihre Höhe in radialer Richtung temperaturgesteuert zwischen einem ersten Wert und einen zweiten Wert verändert, und dass die Differenz der beiden Werte zum Extremwert (g_t) der Kurve des Spiels (C) korrespondiert.Turbomachine according to claim 11, characterized in that the self-adjusting device (20) temperature-controlled their height in the radial direction between a first value and a second value, and that the difference of the two values corresponds to the extreme value (g _t ) of the curve of the game (C).