WO2009067992A2 - Active gap regulating device for a rotor housing - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an active gap control device for rotor housing of a turbomachine according to the preamble of patent claim 1 and to a method for the production thereof.
- the setscrews of all housing segments are actuated together via a synchronizing ring, whereby a common and simultaneous adjustment of the housing segments is made possible. This allows a uniform adjustment of the gap width between the respective housing segment and rotor blade tip over the entire rotor circumference.
- biasing elements in the form of leaf or wave springs are used between the individual housing segments and the rotor housing, which are supported on the inner wall of the rotor housing and so the individual housing segments radially inward, i. in the direction of the rotor blades.
- the present invention is therefore an object of the invention to provide a generic gap control device for rotor housing, which is easier to produce with high reliability. Furthermore, the simplest possible and therefore cost-effective production method should be provided.
- the essence of the invention is therefore to connect the ring segments together in a housing segment or Shrouds respectively via spring elements which exert a spring force on the housing segments in the design position, which leads to a widening of the ring.
- the design of the spring elements causes at least a partial widening of the ring with a corresponding enlargement of the gap between the spring elements and the blade tips of the rotor. A scratching of the blade tips on the housing segments is thus prevented in any case.
- the method according to the invention for producing such a housing segment ring basically envisages the use of a "rapid manufacturing method", ie the spring elements are formed as integral components of the housing segments "(Rapid manufacturing process) using a laser (eg a CO2 laser) made.
- a laser eg a CO2 laser
- This enables the cost- favorable production of the housing segments and possibly simultaneously the spring elements, preferably by laser sintering, that is, by a generative method in which the finished product is produced directly from CAD data without the provision of tools.
- Fig. 1 shows the schematic diagram of a gap control device for rotor housing according to a first preferred embodiment of the invention in cross-section and
- Fig. 2 shows the schematic diagram of a gap control device for rotor housing according to a second preferred embodiment of the invention also in cross section, wherein the same components are provided with the same reference numerals for the first embodiment.
- the gap control device for rotor housing of a turbomachine has a number of housing segments 1 assembled into a ring (in FIG. 1, there are only two segments shown) and a number of actuators 2 for actuating the housing segments 1 in the radial direction of the ring formed thereof.
- the housing segments 1 are formed in an essentially plate-shaped manner and are arranged at a circumferential distance from one another such that a radial gap or expansion joint 3 is formed between each two housing segments 1 adjoining the front side.
- Each two adjacent housing segments 1 are further connected to each other via a spring element or component 4, which is constructed and connected to the respective housing segments 1, that in the structural position (corresponds to a closed ring) exerts a radially outwardly directed biasing force component on the housing segments 1 which causes a radial expansion of the ring formed by the housing segments 1.
- the spring component 4 as a the expansion joint 3 bridging, annular spreading or leg spring is shown, which is integrally connected to the two adjacent housing segments 1.
- This spring acts on the two housing segments 1 substantially in the tangential direction, resulting in the application of two such spring elements on opposite end faces of the housing segment, a resulting biasing force in the radial direction to the outside.
- the structural design of the housing segment 1 with the spring element 4 arranged on the front side permits the use of the so-called "rapid manufacturing process.”
- the housing segment or housing segments and at the same time the spring elements are preferably made of a sintered material in layers
- a laser preferably a CO2 laser powder particle
- the spring constant can be adjusted in the course of the production process. that the spring element 4 in the idle state (construction position) generates the largest radial gap and thus basically causes a widening tendency of the ring against the actuation force of the actuators.
- a rocker arm assembly 5 is provided for transmitting the actuating movement of the respective actuator 2 to the associated housing segment. 1
- each actuator 2 is designed as a hydraulic, pneumatic or electromotive drive with an axially movable piston rod 6, which is articulated at its distal end to a rocker arm 7.
- Each actuator 2 is preferably fixed to an outer housing 8 surrounding the rotor, not shown, on its outer side.
- Each associated rocker arm 7, which penetrates the outer housing 8, is L-shaped and has in its central portion a fixed pivot point 9 for the stationary articulation of the lever 7, for example on the actuator housing or, as provided in the preferred embodiment, on the outer or rotor housing 8 of the turbomachine itself.
- Located within the rotor housing 8 free leg of each lever 7 is preferably hingedly coupled to a single housing segment 1. Alternatively, it is also possible to drive a plurality of housing segments with a single actuator.
- each L-shaped lever 7 is aligned so that its free leg virtually extends back in the direction of the actuator 2, so that the articulation point 10 between the free leg of the lever 7 and the housing segment 1 radially below Actuator 2 and is located substantially in the middle portion of the housing segment 1.
- the maximum actuation travel of each housing segment 1 and the actuation force that can be exerted thereon can therefore be pre-set via the lever ratios. This allows a reduction in the actuation force and thus a weaker and thus lighter design of the actuator. 2
- the operation of the gap control device is as follows: In construction position of the housing segments 1, the expansion joints 3 bridging spring elements 4 are held under pretension, such that they exert a biasing force on the housing segments 1 radially outward. As a result, a counter force is permanently generated by the actuator 2 via the piston rod 6 and the rocker arm 7 articulated thereon for stabilizing the corresponding housing segment 1, as a result of which the articulation points 9, 10 of the rocker arm 7 are free of play.
- the individual actuators 2 are driven by a control electronics, not shown, to effect a lifting movement of the piston rods 6.
- This lifting movement is translated via the rocker arm 7 in a radial movement of the housing segments 1, which leads to a radial expansion or constriction of the ring formed thereof.
- the inevitably occurring change in the circumference of the ring is compensated by the expansion joints 3 or the spring elements 4 connecting the housing segments 1.
- the housing segments 1 can be operated individually, whereby the ring can also be adapted to an ovalization of the rotor housing 8.
- each housing segment 1 consists of the shell-shaped plates, as they have already been described with reference to the first embodiment, to which, however, additionally a radially inner side, a guide blade assembly is attached.
- this comprises a number of radial guide vanes 12, which are connected to one another radially on the inside via a guide plate 13 extending in the circumferential direction. All other structural features with respect to actuators 2, lever assembly 5 and spring elements 4 correspond unchanged to the first exemplary embodiment, so that reference may be made at this point to the above text passages.
- the production of the housing segments 1 together with the associated guide blade segments 11 is carried out according to the above "rapid manufacturing principle" preferably to a one-piece Shroudmodul.
- baffles 13 of the frontally adjacent modules are not connected by spring elements, but form an expansion joint 14, which may be sealed with a deformable, flexible filling material.
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Abstract
Description
Aktive Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse Active gap control device for rotor housing
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse einer Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren für deren Herstellung.The present invention relates to an active gap control device for rotor housing of a turbomachine according to the preamble of patent claim 1 and to a method for the production thereof.
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.From the prior art according to US 5,104,287 a mechanical gap control device of this type is known. This provides a number of housing segments, so-called "shrouds", which are radiallybbewegbar mounted in the circumferential direction of a rotor on a rotor housing.The housing segments are joined opposite to the rotor blades into a substantially closed ring and are radially inserted into the rotor housing threaded pins in As a result, the ring formed by the segments can be radially expanded or narrowed, thereby increasing or decreasing the gap formed between the rotor blades and the ring.
Die Gewindestifte aller Gehäusesegmente werden dabei gemeinsam über einen Syn- chronisierungsring 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.The setscrews of all housing segments are actuated together via a synchronizing ring, whereby a common and simultaneous adjustment of the housing segments is made possible. This allows a uniform adjustment of the gap width between the respective housing segment and rotor blade tip over the entire rotor circumference. In order to achieve a clearance-free control of the gap width, biasing elements in the form of leaf or wave springs are used between the individual housing segments and the rotor housing, which are supported on the inner wall of the rotor housing and so the individual housing segments radially inward, i. in the direction of the rotor blades.
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.Although this known device allows a control of the gap between the rotor blade or blade tip and the rotor housing both in dependence on the rotational speed of the rotor and thus of the temperature of the turbomachine to a To allow optimal gap width for each operating condition of the turbomachine, so the construction is complex and difficult to produce.
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.The present invention is therefore an object of the invention to provide a generic gap control device for rotor housing, which is easier to produce with high reliability. Furthermore, the simplest possible and therefore cost-effective production method should be provided.
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.This object is achieved by a gap control device with the features according to the appended claim 1 and by a manufacturing method with the method steps according to the appended claim 10. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
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.The essence of the invention is therefore to connect the ring segments together in a housing segment or Shrouds respectively via spring elements which exert a spring force on the housing segments in the design position, which leads to a widening of the ring. In this way, on the one hand eliminates a difficult compared to the prior art assembly of separate spring elements between the rotor housing and housing segment and on the other hand, the resulting radially outward resulting spring force results in an improved fail-safe behavior, for example in case of failure of one of the actuators for gap width control. In this case, the design of the spring elements causes at least a partial widening of the ring with a corresponding enlargement of the gap between the spring elements and the blade tips of the rotor. A scratching of the blade tips on the housing segments is thus prevented in any case.
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 kosten- günstige 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.The method according to the invention for producing such a housing segment ring basically envisages the use of a "rapid manufacturing method", ie the spring elements are formed as integral components of the housing segments "(Rapid manufacturing process) using a laser (eg a CO2 laser) made. This enables the cost- favorable production of the housing segments and possibly simultaneously the spring elements, preferably by laser sintering, that is, by a generative method in which the finished product is produced directly from CAD data without the provision of tools.
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.It is also advantageous to couple the actuators for actuating the housing segments in the radial direction via a rocker arm arrangement for transmitting the actuating movement of the respective actuator to the associated housing segment (s). As a result, by selected favorable leverage ratios to be applied by the actuators driving forces are kept low, which contributes to a lightweight construction of the entire device. This in turn opens up the possibility of operating each housing segment separately by its own actuator so as to be able to adapt the housing segments or the segment ring to an ovalization of the rotor housing (for example as a result of heat load). This also increases the reliability while optimizing the rotor gap.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained below with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 zeigt die Prinzipskizze einer Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt undFig. 1 shows the schematic diagram of a gap control device for rotor housing according to a first preferred embodiment of the invention in cross-section and
Fig. 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.Fig. 2 shows the schematic diagram of a gap control device for rotor housing according to a second preferred embodiment of the invention also in cross section, wherein the same components are provided with the same reference numerals for the first embodiment.
Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Spaltregeleinrichtung für Rotorgehäuse einer Strömungsmaschine eine Anzahl von zu einem Ring zusammengesetzter Gehäusesegmente 1 (in Fig. 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 wes- endlichen 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.According to the first preferred embodiment of the invention, the gap control device for rotor housing of a turbomachine has a number of housing segments 1 assembled into a ring (in FIG. 1, there are only two segments shown) and a number of actuators 2 for actuating the housing segments 1 in the radial direction of the ring formed thereof. The housing segments 1 are formed in an essentially plate-shaped manner and are arranged at a circumferential distance from one another such that a radial gap or expansion joint 3 is formed between each two housing segments 1 adjoining the front side. Each two adjacent housing segments 1 are further connected to each other via a spring element or component 4, which is constructed and connected to the respective housing segments 1, that in the structural position (corresponds to a closed ring) exerts a radially outwardly directed biasing force component on the housing segments 1 which causes a radial expansion of the ring formed by the housing segments 1.
In Fig. 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.In Fig. 1, the spring component 4 as a the expansion joint 3 bridging, annular spreading or leg spring is shown, which is integrally connected to the two adjacent housing segments 1. This spring acts on the two housing segments 1 substantially in the tangential direction, resulting in the application of two such spring elements on opposite end faces of the housing segment, a resulting biasing force in the radial direction to the outside. Alternatively, it is also possible to manufacture the spring element 4 as a separate component and to connect during assembly of the ring with the housing segments by screwing, soldering, or by positive engagement.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass der konstruktive Aufbau des Gehäusesegments 1 mit stirnseitig angeordnetem Federelement 4 den Einsatz des sogenannten „Rapid Manufac- turing 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 wer- den, dass das Federelement 4 im Ruhezustand (Konstruktionslage) den größten Radialspalt erzeugt und somit grundsätzlich eine Aufweitungstendenz des Rings entgegen der Betätigungskraft der Aktuatoren bewirkt.However, it has been shown that the structural design of the housing segment 1 with the spring element 4 arranged on the front side permits the use of the so-called "rapid manufacturing process." In this case, the housing segment or housing segments and at the same time the spring elements are preferably made of a sintered material in layers For this purpose, a laser, preferably a CO2 laser powder particle, melts layer by layer at the specified position, whereby the energy supplied by the laser is absorbed by the powder and ultimately leads to a local solidification of the material Expansion joint 3 between the respectively adjacent housing segments 1 is thus produced by the corresponding spring element 4, which is an integral part of both housing segments. At the same time, the spring constant can be adjusted in the course of the production process. that the spring element 4 in the idle state (construction position) generates the largest radial gap and thus basically causes a widening tendency of the ring against the actuation force of the actuators.
Radial außerhalb des Rings ist eine Kipphebelanordnung 5 vorgesehen zur Übertragung der Betätigungsbewegung des jeweiligen Aktuators 2 auf das zugehörige Gehäusesegment 1.Radially outside the ring, a rocker arm assembly 5 is provided for transmitting the actuating movement of the respective actuator 2 to the associated housing segment. 1
Wie in der Fig. 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.As indicated in FIG. 1, each actuator 2 is designed as a hydraulic, pneumatic or electromotive drive with an axially movable piston rod 6, which is articulated at its distal end to a rocker arm 7. Each actuator 2 is preferably fixed to an outer housing 8 surrounding the rotor, not shown, on its outer side. Each associated rocker arm 7, which penetrates the outer housing 8, is L-shaped and has in its central portion a fixed pivot point 9 for the stationary articulation of the lever 7, for example on the actuator housing or, as provided in the preferred embodiment, on the outer or rotor housing 8 of the turbomachine itself. Located within the rotor housing 8 free leg of each lever 7 is preferably hingedly coupled to a single housing segment 1. Alternatively, it is also possible to drive a plurality of housing segments with a single actuator.
Gemäß der Fig. 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 Anlenk- punkt 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.According to FIG. 1, each L-shaped lever 7 is aligned so that its free leg virtually extends back in the direction of the actuator 2, so that the articulation point 10 between the free leg of the lever 7 and the housing segment 1 radially below Actuator 2 and is located substantially in the middle portion of the housing segment 1. The maximum actuation travel of each housing segment 1 and the actuation force that can be exerted thereon can therefore be pre-set via the lever ratios. This allows a reduction in the actuation force and thus a weaker and thus lighter design of the actuator. 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 Vorspann- kraft 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.The operation of the gap control device according to the first preferred embodiment of the invention is as follows: In construction position of the housing segments 1, the expansion joints 3 bridging spring elements 4 are held under pretension, such that they exert a biasing force on the housing segments 1 radially outward. As a result, a counter force is permanently generated by the actuator 2 via the piston rod 6 and the rocker arm 7 articulated thereon for stabilizing the corresponding housing segment 1, as a result of which the articulation points 9, 10 of the rocker arm 7 are free of play.
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.Now, depending on the operating state of the turbomachine, i. In accordance with sensor-detected temperature and rotor speed, a gap width control is performed, the individual actuators 2 are driven by a control electronics, not shown, to effect a lifting movement of the piston rods 6. This lifting movement is translated via the rocker arm 7 in a radial movement of the housing segments 1, which leads to a radial expansion or constriction of the ring formed thereof. The inevitably occurring change in the circumference of the ring is compensated by the expansion joints 3 or the spring elements 4 connecting the housing segments 1.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion der Spaltregeleinrichtung ergeben sich funktional die folgenden Vorteile:The construction according to the invention of the gap control device results in the following functional advantages:
- Die Gehäusesegmente 1 können individuell betätigt werden, wodurch der Ring auch an eine Ovalisierung des Rotorgehäuses 8 angepasst werden kann.- The housing segments 1 can be operated individually, whereby the ring can also be adapted to an ovalization of the rotor housing 8.
- Die Vorspannkraft der Federelemente 4 nach Außen verhindert ein Anschleifen der Gehäusesegmente 1 durch Rotorschaufeln auch im Fall eines Aktuatorenaus- falls.- The biasing force of the spring elements 4 to the outside prevents grinding of the housing segments 1 by rotor blades even in the case of Aktuatorenaus- falls.
- 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.- The use of rocker arms 6 with appropriate point storage and the integrated bias of Gehäusegmentrings reduces the transfer area between housing segment 1 and rotor housing 8. This reduces noise and heat transfer to the rotor housing 8. In addition, the lever assembly 5 is therefore also not susceptible to jamming under the influence of temperature , - It is a cost-effective production by the rapid manufacturing process with little mechanical Nacharbeitsaufwand possible.
- Sowohl die Aktuatoren 2 wie auch die Sensorik ist von Außen zugänglich.- Both the actuators 2 and the sensors are accessible from the outside.
Nachfolgend wir unter Bezugnahme auf die Fig. 2 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei die zum ersten Beispiel gleichen Bauteile mit den selben Bezugszeichen versehen sind.Hereinafter, with reference to FIG. 2, a second preferred embodiment of the invention will be described, wherein the same components to the first example are provided with the same reference numerals.
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 bezüglich Aktuatoren 2, Hebelanordnung 5 sowie Federelemente 4 entsprechen unverändert dem ersten Ausfuhrungsbeispiel, 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.In the gap control device according to the second embodiment, the housing segments 1 are expanded by integration of stator blade segments 11. In other words, each housing segment 1 consists of the shell-shaped plates, as they have already been described with reference to the first embodiment, to which, however, additionally a radially inner side, a guide blade assembly is attached. In the present case, this comprises a number of radial guide vanes 12, which are connected to one another radially on the inside via a guide plate 13 extending in the circumferential direction. All other structural features with respect to actuators 2, lever assembly 5 and spring elements 4 correspond unchanged to the first exemplary embodiment, so that reference may be made at this point to the above text passages. The production of the housing segments 1 together with the associated guide blade segments 11 is carried out according to the above "rapid manufacturing principle" preferably to a one-piece 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. However, the baffles 13 of the frontally adjacent modules are not connected by spring elements, but form an expansion joint 14, which may be sealed with a deformable, flexible filling material.
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