Die Erfindung betrifft ein Spaltkontrollsystem zum Einstellen eines Laufspalts zwischen einem Rotorschaufeln umfassenden Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, und einer diesen zumindest abschnittsweise umgebenden, wenigstens zwei Segmente umfassenden Ummantelung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 11 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Einstellen eines Laufspalts zwischen einem Rotorschaufeln umfassenden Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, und einer diesen zumindest abschnittsweise umgebenden, wenigstens zwei Segmente umfassenden Ummantelung.

Der Wirkungsgrad einer Strömungsmaschine, beispielsweise eines Verdichters oder einer Turbine, hängt wesentlich von der Größe des radialen Laufspalts zwischen einem Rotor und statischen Bauteilen der Strömungsmaschine ab. Bei Verdichtern wird zusätzlich die Lage der Pumpgrenze - das heißt die Grenze, bis zu der ein stabiler Betrieb der Strömungsmaschine möglich ist - wesentlich durch die Größe des Laufspalts bestimmt. Die Verwirklichung von möglichst kleinen, über die Betriebsdauer der Strömungsmaschine konstant bleibenden radialen Laufspalten ist daher ein vorrangiges Auslegungsziel. Dies ist umso wichtiger, je kleiner die Abmessungen der Rotorschaufeln des Rotors sind. Dies ist beispielsweise in hinteren Stufen eines Hochdruckverdichters bzw. einer als Hochdruckturbine ausgebildeten Strömungsmaschine der Fall.

Betrachtet man das Laufspaltverhalten einer Strömungsmaschine, so stellt man fest, dass der Laufspalt aufgrund unterschiedlicher zeitlicher Dehnverhalten des Rotors und seiner Ummantelung, welche beispielsweise als Gehäuse oder Gehäuseteil ausgebildet sein kann, relativ stark variiert. Zur näheren Erläuterung zeigt Fig. 1 ein schematisches Liniendiagramm einer zeit- und lastabhängigen Spaltänderung zwischen einer Rotorscheibe und einer diese umgebenden Ummantelung einer Strömungsmaschine, wie sie typischerweise während des Betriebs einer als Hochdruckverdichter ausgebildeten, aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsmaschine für ein Triebwerk der 30 klb Schubklasse auftritt. Dabei beschreiben die durchgezogene Linie φ₁ einen Radius der Rotorscheibe und die durchgezogene Linie φ₂ einen Radius der Ummantelung, wohingegen die gestrichelte Linie φ₃ den zum Einstellen eines Laufspalts L mit einer optimalen Größe Δr_opt geforderten Radius der Ummantelung beschreibt.

Die optimale Größe Δr_opt des Laufspalts L soll dabei mit Hilfe eines Spaltkontrollsystems der Strömungsmaschine eingestellt werden können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein zumindest annähernd konstanter Laufspalt L mit der Größe Δr_opt=0,1-0,2 mm angestrebt. Beim Beschleunigen (Phase Ib) aus einer Leerlaufphase Ia, in welcher der Laufspalt L die Anfangsgröße Δr₁ besitzt, erfährt der Radius des Rotors bzw. der Rotorscheibe im Bereich B₁ - proportional zur Drehzahländerung - eine Radiusänderung aufgrund der wirkenden Fliehkräfte. Demgegenüber erfolgt eine thermisch bedingte Dehnung der Rotorscheibe aufgrund ihrer vergleichsweise großen radialen Erstreckung und großen Masse deutlich langsamer (Bereich B₂). Die Ummantelung mit ihrer im Vergleich zum Rotor geringeren Masse reagiert in der Regel thermisch wesentlich schneller (Bereich B₃). Beim Beschleunigen gemäß Phase Ib verringert sich daher der ursprünglich vorhandene Laufspalt L=Δr₁ zunächst wegen der sehr schnell wirkenden Fliehkraftdehnung des Rotors und wird dann deutlich größer, weil die Ummantelung thermisch schneller reagiert. Der Laufspalt L erreicht im Bereich B₄ seinen Maximalwert Δr_max - z.B. Δr_max=0,8 mm - über welchen der mit Pfeil I markierte geforderte Verstellbereich der Ummantelung bzw. der Segmente der Ummantelung definiert ist.

Nachdem auch der Rotor durchgeheizt ist, wird in Phase Ic die stationäre Laufspaltgröße Δr_stat - z.B. Δr_stat=0,4 mm - erreicht. Beim Verzögern in Phase Id vergrößert sich zunächst der Laufspalt L wegen der geringer werdenden Fliehkraftbelastung des Rotors. Anschließend wird der Laufspalt L wieder kleiner und erreicht seinen Minimalwert Δr_min, da die Ummantelung schneller abkühlt als der Rotor. Beim Abkühlen der Strömungsmaschine stellt sich nach einer gewissen Zeit wieder die Anfangsgröße Δr₁ des Laufspalts L ein. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass der erforderliche Verstellhub der Ummantelung relativ klein ist und weniger als 1,0 mm beträgt. Um eine deutliche Verbesserung zu erzielen, sind daher Spaltkontrollsysteme mit Verstelleinrichtungen erforderlich, die möglichst präzise funktionieren.

Das beschriebene transiente Spaltverhalten eines rein passiven Spaltkontrollsystems und die Forderung, dass ein "hartes" Anstreifen der Rotorschaufeln an der Ummantelung unbedingt zu vermeiden ist, führt insbesondere im Hochdruckbereich von modernen Strömungsmaschinen zu stationären Laufspaltgrößen Δr_stat im Bereich von etwa 2-3% der Höhe der Rotorschaufeln. Die maximalen Laufspaltgrößen Δr_max, die während des transienten Betriebes auftreten, können dabei jedoch mehr als die doppelten Werte erreichen. Die Größe des Laufspalts einer Strömungsmaschine hängt zusammenfassend von verschiedenen Einflussgrößen ab:

• Dehnungen des Rotors aufgrund von Fliehkraftwirkungen;
• Thermische Dehnungen des Rotors und der Ummantelung;
• Dehnungen und Ovalisierung der Ummantelung aufgrund von Manöverlasten und Druckkräften;
• Versatz zwischen der Drehachse des Rotors und der Mittelachse der Ummantelung aufgrund von Manöverlasten; sowie
• Fertigungstoleranzen, beispielsweise Unrundheiten oder Exzentrizitäten.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten passiven Spaltkontrollsystemen wird versucht, anhand der Masse des Rotors und der Ummantelung bzw. deren Masseverteilung, durch geeignete Führung von Sekundärluftströmen sowie durch Beeinflussung des Wärmeflusses mithilfe geometrisch optimierter Gestaltung und Wärmedämmschichten das Dehnverhalten der Strömungsmaschinenbauteile derart zu optimieren, dass geringstmögliche Diferenzdehnungen zwischen dem Rotor und dem Stator bzw. der Ummantelung erzielt werden.

Alternativen stellen thermisch aktive Spaltkontrollsysteme dar, bei denen der Laufspalt durch gezieltes Kühlen bzw. Aufheizen der relevanten Bauteile optimiert wird. Beispiele hierfür sind das Spaltkontrollsystem der CFM56-Triebwerksfamilie, bei der die Rotortemperatur geregelt wird, oder das aus der US 4,329,114 bekannte Spaltkontrollsystem, mittels welchem die Gehäusetemperatur der Strömungsmaschine geregelt wird. Da diese Spaltkontrollsysteme nur über die Beeinflussung der Bauteiltemperaturen wirken, reagieren sie relativ langsam und können daher nur die stationären Laufspalte signifikant verbessern. Auf schnelle Änderungen des Laufspalts - wie sie wie vorstehend beschrieben bei transienten Betriebszuständen entstehen -, auf einen Versatz zwischen einer Drehachse des Rotors und einer Mittelachse der Ummantelung sowie auf Exzentrizitäten, wie sie bei Manöverlasten entstehen, können diese Spaltkontrollsysteme jedoch nicht bzw. nur sehr eingeschränkt reagieren.

Als weitere Alternative sind mechanisch aktive Spaltkontrollsysteme bekannt. Um einen möglichst kleinen Laufspalt unter Berücksichtigung der genannten Einflussgrößen erzielen zu können, sollte sich die Ummantelung des Rotors zu jedem Zeitpunkt möglichst gut an dessen Durchmesser und relative Lage anpassen können. Zu diesem Zweck wird die Ummantelung häufig segmentiert. Die GB 2108591 A zeigt beispielsweise ein Spaltkontrollsystem für eine derartige, segmentierte Ummantelung einer Strömungsmaschine. Jeweils drei Segmente sind dabei durch einen Hebelmechanismus miteinander gekoppelt. Diese zusammengekoppelten Segmente werden mit jeweils einem Aktuator in Abhängigkeit von Messsignalen mehrerer Sensoreinrichtungen gleichförmig verstellt. Der Laufspalt bei jeder dieser zusammengekoppelten Segmentgruppe kann hierdurch über die Umfangsersteckung der Segmentgruppe auf einen mittleren Laufspalt eingestellt werden. Bei Durchmesseränderungen des Rotors und der Ummantelung liefert das Spaltkontrollsystem damit vergleichsweise gute Ergebnisse gegenüber thermisch aktiven Spaltkontrollsystemen.

Ein Versatz zwischen der Drehachse des Rotors und der Mittelachse der Ummantelung sowie Ovalisierungen der Ummantelung können jedoch nicht oder nicht zufrieden stellend ausgeglichen werden. Da die Segmente der Segmentgruppe in Umfangsrichtung ortsfest gelagert sind, entstehen bei einem Versatz der Drehachse des Rotors gegenüber der Mittelachse der Ummantelung sichelförmige Laufspalte, da alle gekoppelten Segmente der Ummantelung die gleiche Hubbewegung ausführen. Um eine im Vergleich zu einem passiven Spaltkontrollsystem verbesserte Einstellbarkeit des Laufspalts erreichen zu können, ist zudem eine relativ große Anzahl von zwölf oder mehr Segmentgruppen erforderlich. Gleichzeitig wird auch eine entsprechende Anzahl von Aktuatoren und Sensoreinrichtungen benötigt, wodurch neben den Herstellungskosten auch der Bauraumbedarf und die Fehleranfälligkeit steigen.

Aus der GB 2099515 A ist ebenfalls eine Strömungsmaschine mit einer segmentierten Ummantelung zu entnehmen, wobei jedes Segment zum Einstellen des Laufspalts durch ein Spaltkontrollsystem bewegbar ist. Die Segmente werden zwischen keilförmigen Führungselementen bewegt, wobei ein Tellerfeder-Stapel die Segmente in Bezug auf die Drehachse des Rotors radial nach außen und das Spaltkontrollsystem die Segmente radial in Richtung Rotor bewegen kann. Um den Laufspalt über den gesamten Umfang der Ummantelung einstellen zu können, sind jedoch eine hohe Anzahl von Aktuatoren und Sensoreinrichtungen erforderlich, wodurch das Spalthaltungssystem nicht nur teuer und schwer ist, sondern auch eine vergleichsweise hohe Ausfallwahrscheinlichkeit besitzt.

Die US 5,104,287 beschreibt ein Spaltkontrollsystem für eine segmentierte Ummantelung eines Rotorschaufeln umfassenden Rotors einer Strömungsmaschine. Jedes Segment der Ummantelung kann mit Hilfe von zwei zugeordneten, Gewindespindeln umfassenden Verstelleinrichtungen des Spalthaltungssystems radial in Bezug auf die Drehachse des Rotors bewegt werden. Hierzu sind die als Verstellgetriebe ausgebildeten Verstelleinrichtungen jeweils paarweise mit einem als Ring ausgebildeten und konzentrisch um den Rotor angeordneten Verstellelement gekoppelt. Die Einstellung des Laufspalts wird durch Verdrehen des Rings vorgenommen, dessen rotatorische Bewegung durch die Verstelleinrichtungen in eine gleichmäßige radiale Bewegung der Segmente vom Rotor weg umgewandelt wird. Zwischen den Segmenten und einem Traggehäuse der Ummantelung sind wellenförmige Flachfedern angeordnet, die die Segmente radial nach innen, d. h. in Richtung des Rotors drücken.

Als nachteilig ist dabei der Umstand anzusehen, dass die Segmente der Ummantelung nur gemeinsam radial bewegt werden können, so dass nur wenigen der oben genannten Einflussgrößen entgegengewirkt werden kann. Insbesondere Ovalisierungen der Ummantelung oder ein Versatz zwischen der Drehachse des Rotors und der Mittelachse der Ummantelung können nicht ausgeglichen werden. Weiterhin ist nachteilig, dass die Flachfedern und die Verstelleinrichtungen während des Betriebs der Strömungsmaschine unmittelbar mit den hohen Rotorraumtemperaturen in Kontakt treten. Bei modernen, als Gasturbinen ausgebildeten Strömungsmaschinen mit hohen Gesamtdruckverhältnissen können die Temperaturen jedoch so hoch werden, dass die Federwirkung der Flachfedern verloren geht oder die Tragfähigkeit der Verstelleinrichtungen nicht mehr ausreicht. Zudem besitzt das Spalthaltungssystem eine hohe Komplexität sowie ein vergleichsweise hohes Gewicht, wodurch neben den Herstellungs- und Wartungskosten auch die Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Spalthaltungssystems erhöht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Spaltkontrollsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches auf konstruktiv einfache Weise eine Kompensierung möglichst vieler Einflussgrößen und damit eine zuverlässige und betriebssichere Einstellbarkeit des Laufspalts unter verschiedenen Betriebszuständen der zugeordneten Strömungsmaschine ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Spaltkontrollsystem sowie ein entsprechendes Verfahren zum Einstellen eines Laufspalts einer Strömungsmaschine zu schaffen.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Spaltkontrollsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch ein Verfahren zum Einstellen eines Laufspalts gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Spaltkontrollsystems als vorteilhafte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine bzw. des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.

Ein Spaltkontrollsystem, welches auf konstruktiv einfache Weise eine Kompensierung möglichst vieler Einflussgrößen und damit eine zuverlässige und betriebssichere Einstellbarkeit des Laufspalts unter verschiedenen Betriebszuständen der zugeordneten Strömungsmaschine ermöglicht, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass jedes Segment der Ummantelung mit wenigstens drei Verstelleinrichtungen des Spaltkontrollsystems gekoppelt ist. Die Verstelleinrichtungen können dabei grundsätzlich einzelne Elemente wie Verstellgetriebe, Aktuatoren, Steuerstangen und dergleichen oder beliebige Kombination dieser Elemente umfassen bzw. aus diesen bestehen. Hierdurch ist es im Unterschied zum Stand der Technik möglich, die Segmente betriebszustandsunabhängig auf eine Kreisbahn zu zwingen und somit eine stetige und konstante Krümmung der Segmente zu gewährleisten. Da die Segmente der Ummantelung auf einen bestimmten Durchmesser ausgelegt sind, können sich beim rein radialen Bewegen der Segmente - wie im Stand der Technik beschrieben - sichelförmige Laufspalte ergeben. Zudem muss bei instationären Betriebszuständen der Strömungsmaschine mit einem radialen Temperaturgradienten, der die Krümmung unkontrolliert verändern könnte, sowie mit Verformungen durch mechanische Beanspruchung (z.B. durch Gaslasten) gerechnet werden. Damit die Segmente betriebszustandsunabhängig die gewünschte konstante Krümmung aufweisen, wird jedes Segment mindestens an drei Umfangsstellen mit jeweils einer der Verstelleinrichtungen gekoppelt und kann somit einfach auf eine Kreisbahn mit dem aktuellen Rotordurchmesser zuzüglich des gewünschten Laufspalts gezwungen werden. In der Regel hat es sich dabei als vorteilhaft gezeigt, wenn die Verstelleinrichtungen gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet sind, um eine entsprechend gleichmäßige Kraftverteilung über das Segment und eine gute Einstellung der Kreisbogenform sicherzustellen. Der Laufspalt kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spaltkontrollsystems unabhängig vom Betriebszustand der zugeordneten Strömungsmaschine optimal eingestellt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erhöht und deren Kraftstoffbedarf entsprechend gesenkt wird. Aufgrund des konstruktiv einfachen Aufbaus des erfindungsgemäßen Spaltkontrollsystems ergeben sich im Vergleich zu bekannten Spaltkontrollsystemen zudem erhebliche Kosten- und Gewichtseinsparungen sowie eine vorteilhaft gesteigerte Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit. Das Spaltkontrollsystem eignet sich grundsätzlich sowohl für eine Einzelstufe als auch für mehrere Stufen einer Strömungsmaschine.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei Verstelleinrichtungen an entgegengesetzten Randbereichen ihres zugeordneten Segments angeordnet sind und/oder eine Verstelleinrichtung in der Mitte ihres zugeordneten Segments angeordnet ist. Indem zwei Verstelleinrichtungen an den Segmenträndern des Segments angreifen, kann die gewünschte Kreissegmentbahn unter Einhaltung der erforderlichen Tangentenbedingungen unter allen Betriebsbedingungen besonders zuverlässig eingehalten werden. Indem eine Verstelleinrichtung in der Mitte ihres zugeordneten Segments angeordnet ist kann alternativ oder zusätzlich ebenfalls eine vorteilhafte Krafteinleitung in das Segment erzielt werden. Eine betriebszustandsunabhängige Erzeugung der konstanten, kreisbahnförmigen Krümmung des Segments ist somit besonders einfach zu verwirklichen.

Eine besonders gewichts- und bauraumsparende Anordnung ist in weiterer Ausgestaltung dadurch gegeben, dass wenigstens zwei benachbarte Segmente mit einer gemeinsamen Verstelleinrichtung gekoppelt sind. Auf diese Weise werden zudem eine hohe Dichtigkeit der Ummantelung und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine sichergestellt. Durch eine Kopplung mittels der Verstelleinrichtung können benachbarte Randbereiche zweier Segmente vorteilhaft gemeinsam radial bewegt werden. Auf diese Weise wird ein stetiger Übergang vom einen Segment zum benachbarten Segment sichergestellt, so dass das Entstehen sichelförmiger Laufspalte besonders zuverlässig verhindert wird. Zudem wird hierdurch auch an der Verbindungsstelle zwischen den Segmenten und der Verstelleinrichtung eine hohe Spielfreiheit erreicht. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass alle benachbarten Segmente jeweils mit einer oder mehreren gemeinsamen Verstelleinrichtungen gekoppelt sind, um eine optimierte Anordnung zu erhalten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein um den Rotor anordenbares Verstellelement vorgesehen ist, welches mit wenigstens einer Verstelleinrichtung gekoppelt und zum Betätigen der Verstelleinrichtung relativ zu dieser bewegbar ist. Hierdurch ist eine konstruktiv einfache, kostengünstige und bauraumsparende Anordnung des Verstellelements im Bereich des Rotors bzw. der Ummantelung ermöglicht. Zudem können beim Bewegen bzw. Verschwenken des Verstellelements auftretende Kräfte gut verteilt werden, wodurch die mechanische Stabilität und Lebensdauer des Verstellelements entsprechend verlängert wird. Das Verstellelement kann dabei vorzugsweise zumindest im Wesentlichen als Ring ausgebildet sein.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem das Verstellelement mehrere Teilabschnitte umfasst, die vorzugsweise gelenkig miteinander verbunden sind. Hierdurch besitzt das Verstellelement zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrade, so dass eine zusätzlich verbesserte Einstellbarkeit des Laufspalts beim Verschwenken des Verstellelements ermöglicht ist. So kann beispielsweise durch ein Verknicken des Verstellelements, d.h. durch ein relatives Bewegen der Teilabschnitte zueinander, eine Ovalisierung der Ummantelung aufgrund von Manöverlasten und Druckkräften besonders einfach ausgeglichen werden.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Verstellelement zum Einstellen des Laufspalts axial bezüglich der Drehachse des Rotors verschiebbar und/oder gegenüber dem Rotor verschwenkbar ist. Im Unterschied zum Stand der Technik ermöglicht das erfindungsgemäße Spaltkontrollsystem durch axiales Bewegen des Verstellelements eine über den Umfang des Rotors gleichmäßige Bewegung der Segmente und eine entsprechend gleichmäßige Veränderung des Laufspalts. Alternativ oder zusätzlich kann durch Verschwenken bzw. Verkippen des Verstellelements gegenüber der Drehachse des Rotors eine über den Umfang des Rotors ungleichmäßige Bewegung der Segmente erzeugt werden, so dass auch Ovalisierung der Ummantelung aufgrund von Manöverlasten und Druckkräften sowie ein etwaiger Versatz zwischen der Drehachse des Rotors und der Mittelachse der Ummantelung problemlos berücksichtigt werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Verstelleinrichtungen ausgebildet ist, eine zumindest überwiegend axiale Bewegung des Verstellelements in eine zumindest überwiegend radiale Bewegung des zugeordneten Segments der Ummantelung umzuwandeln. Mit Hilfe der Verstelleinrichtung können somit große Bewegungen des Verstellelements vorteilhaft in kleine Bewegungen des zugeordneten Segments und umgekehrt umgewandelt werden, wodurch eine besonders präzise Einstellbarkeit des Laufspalts gegeben ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass alle Verstelleinrichtungen derartig ausgebildet sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Verstelleinrichtung an einem Traggehäuse festgelegt ist. Hierdurch ergibt sich eine besonders stabile und betriebssichere Anordnung der Verstelleinrichtung. Das Traggehäuse kann dabei beispielsweise als Außengehäuse der Strömungsmaschine ausgebildet sein oder innerhalb eines separaten Außengehäuses anordenbar sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Traggehäuse ringförmig ausgebildet ist und/oder außenumfänglich der Ummantelung und/oder konzentrisch zur Drehachse des Rotors anordenbar ist. Hierdurch können die mechanischen und konstruktiven Eigenschaften des Traggehäuses optimal an die Anforderungen der Strömungsmaschine angepasst werden.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem wenigstens ein Dichtelement vorgesehen ist, mittels welchem das Traggehäuse gegenüber der Ummantelung abzudichten ist. Hierdurch kann ein unerwünschtes Entweichen oder Rückströmen des Arbeitsmediums der Strömungsmaschine verhindert werden, wodurch ein entsprechend hoher Wirkungsgrad sichergestellt ist.

In weiterer Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Ummantelung wenigstens eine Leitschaufel umfasst und/oder vorzugsweise mittels einer Schubstange gegenüber dem Traggehäuse abgestützt ist. Bei bekannten Spaltkontrollsystemen und Strömungsmaschinen sind die Leitschaufeln üblicherweise am Traggehäuse befestigt, so dass auf den inneren Laufspalt kein Einfluss genommen werden kann. Wenn die Ummantelung die wenigstens eine Leitschaufel umfasst - z. B. indem die Leitschaufel an der Ummantelung festgelegt ist - kann die Leitschaufel demgegenüber vorteilhaft beim Einstellen des Laufspalts des Rotors mitbewegt werden, wodurch auch der innere Spalt der Strömungsmaschine einstellbar ist. Durch eine Anordnung der wenigstens einen Leitschaufel an der Ummantelung werden zudem während des Betriebs der Strömungsmaschine auftretende Kräfte besonders gut abgeleitet und verteilt. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Leitschaufel in Umfangs- und/oder Axialrichtung am Traggehäuse abgestützt ist.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem wenigstens eine Sensoreinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher eine Größe des Laufspalts ermittelbar ist. Dies erlaubt eine besonders einfache, schnelle und präzise Ermittlung der Größe des Laufspalts, wodurch eine entsprechend verbesserte Einstellung des Laufspalts ermöglicht ist. Die Sensoreinrichtung kann grundsätzlich nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipen arbeiten, beispielsweise kapazitiv, induktiv, optisch, mit Mikrowellen oder mit Wirbelstrom.

Indem die Sensoreinrichtung im Bereich wenigstens einer Verstelleinrichtung angeordnet ist, ist eine zusätzliche Verbesserung der Einstellbarkeit des Laufspalts gegeben, da Bewegungen der Ummantelung bzw. des jeweiligen, der Verstelleinrichtung zugeordneten Segments mittels der Sensoreinrichtung nahe des Ankoppelbereichs der Verstelleinrichtung erfolgen können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Sensoreinrichtung vorgesehen, welche, vorzugsweise gleichmäßig, voneinander beabstandet angeordnet sind und/oder außenumfänglich der Ummantelung anordenbar sind. Auf diese Weise ist es möglich, den Laufspalt mittels der mehreren Sensoreinrichtungen an verschiedenen Umfangspositionen des Rotors zu ermitteln. Der Laufspalt kann somit besonders präzise und ortsaufgelöst ermittelt werden, so dass gezielt entsprechend unterschiedliche Einstellbewegungen der Segmente ausführbar sind und ein gleichmäßiger Laufspalt erzeugbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein mit dem Verstellelement gekoppelter Aktuator vorgesehen ist, mittels welchem das Verstellelement axial bezüglich der Drehachse des Rotors verschiebbar oder gegenüber dem Rotor verschwenkbar ist. Mit Hilfe wenigstens eines Aktuators kann das Verstellelement besonders einfach und präzise bewegt werden. Zusammen mit den Verstelleinrichtungen können dabei vorteilhafterweise große Bewegungen des wenigstens einen Aktuators in kleine Bewegungen der Segmente oder umgekehrt umgewandelt werden. Der Aktuator kann grundsätzlich nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien funktionieren, beispielsweise hydraulisch, pneumatisch, elektrisch, piezoelektrisch oder magnetisch.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Aktuator im Bereich wenigstens einer Verstelleinrichtung angeordnet ist. Hierdurch ist ein besonders kurzer Kraftübertragungsweg und eine entsprechend präzise Einstellbarkeit des Laufspalts gegeben. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Aktuator im Bereich einer Sensoreinrichtung angeordnet ist. Hierdurch wird aufgrund der geringen räumlichen Distanz zwischen der Sensoreinrichtung und dem Aktuator eine vereinfachte und besonders präzise Einstellbarkeit des Laufspalts sichergestellt.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem mehrere Aktuatoren vorgesehen sind, welche, vorzugsweise gleichmäßig, voneinander beabstandet angeordnet sind und/oder außenumfänglich der Ummantelung anordenbar sind. Mit Hilfe mehrerer Aktuatoren an verschiedenen Umfangspositionen kann das Verstellelement besonders einfach axial bewegt oder verschwenkt werden, wodurch gezielt gleiche oder unterschiedliche Hubbewegungen der Segmente zum Einstellen des Laufspalts ausgeführt werden können. Indem die Aktuatoren im Bereich jeweils zugeordneter Sensoreinrichtungen angeordnet sind, können weiterhin etwaige gegenseitige Beeinflussungen mehrerer Aktuatoren und Sensoreinrichtungen vorteilhaft unterdrückt bzw. verunmöglicht werden.

Eine weitere Verbesserung der Einstellbarkeit des Laufspalts ist in weiterer Ausgestaltung dadurch gegeben, dass wenigstens eine Steuer- und/oder Regeleinheit vorgesehen ist, welche mit wenigstens einer Sensoreinrichtung und wenigstens einem Aktuator gekoppelt ist und ausgelegt ist, den wenigstens einen Aktuator in Abhängigkeit der mittels der wenigstens einen Sensoreinrichtung ermittelten Größe des Laufspalts zu steuern bzw. zu regeln.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Verstelleinrichtungen axial bezüglich der Drehachse des Rotors angeordnet und gemeinsam mittels des Verstellelements betätigbar sind. Da die Rotoren mehrerer Stufen einer als Hochdruckverdichter ausgebildeten Strömungsmaschine ein ähnliches zeitliches Dehnungsverhalten zeigen - speziell wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe ähnlich sind -, können hierdurch die Laufspalte mehrerer Stufen mit der gleichen Bewegung des Verstellelements eingestellt werden. Dabei kann gegebenenfalls vorgesehen sein, dass - beispielsweise durch unterschiedliche Hebellängen an den Verstelleinrichtungen - unterschiedliche Hubbewegungen an den Segmenten der mehrteiligen Ummantelung verschiedener Stufen erzielbar ist. Zudem kann bei Bedarf an jeder Stufe eine unterschiedliche Laufspaltgröße erzeugt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Verstelleinrichtung einen Betätigungshebel und/oder ein Drucklager und/oder ein Kugelumlaufgewinde und/oder einen Spindeltrieb und/oder eine Exzenterwelle und/oder eine Biegefeder und/oder ein Federelement und/oder einen Kniehebel und/oder eine Rasterung umfasst. Auf diese Weise kann besonders einfach eine variable Anbindung an das Verstellelement und eine spielfreie Kraftübertragung vom Verstellelement auf die Verstelleinrichtung sichergestellt werden. Dies ermöglicht in weiterer Folge eine ebensolche spielfreie und gegebenenfalls gerasterte Bewegung des jeweils zugeordneten Segments. Zudem ermöglicht die wenigstens eine Verstelleinrichtung hierdurch auf konstruktiv einfache Weise, dass eine zumindest überwiegend axiale Bewegung des Verstellelements in eine kleinere radiale Bewegung des Segments der Ummantelung umgesetzt wird.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem wenigstens eine Verstelleinrichtung ein Dichtelement umfasst, welches vorzugsweise als Spannband und/oder Balgdichtung und/oder Kolbenring und/oder C-Dichtung ausgebildet ist. Mit Hilfe eines derartigen Dichtelements kann einerseits die erforderliche Bewegungsmöglichkeit, beispielsweise eine Hubbewegung oder thermische Differenzdehnung, bereitgestellt werden, andererseits können zugleich Räume mit unterschiedlichen Drücken gegeneinander abgedichtet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Verstelleinrichtung einen mit zumindest einem Segment gekoppelten Zugbolzen und einen mit dem zumindest einen Segment gekoppelten Druckbolzen umfasst, wobei der Zugbolzen und der Druckbolzen relativ zueinander bewegbar und gegeneinander kraftbeaufschlagt sind. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die gesamte Verstelleinrichtung in sich vorgespannt und damit spielfrei ist, so dass eine besonders präzise Spalteinstellung realisierbar ist. Die Kraftbeaufschlagung zwischen Zug- und Druckbolzen kann beispielsweise mit Hilfe eines Federelements bewerkstelligt sein, wobei grundsätzlich beliebige Federbauformen wie Schraubenfedern, Tellerfederpackete oder dergleichen vorgesehen sein können.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einem Rotorschaufeln umfassenden Rotor, einer diesen zumindest abschnittsweise umgebenden, wenigstens zwei Segmente umfassenden Ummantelung, und einem Spaltkontrollsystem, mittels welchem ein Laufspalt zwischen dem Rotor und der Ummantelung einstellbar ist. Um auf konstruktiv einfache Weise eine Kompensierung möglichst vieler Einflussgrößen und damit eine zuverlässige und betriebssichere Einstellbarkeit des Laufspalts unter verschiedenen Betriebszuständen der Strömungsmaschine zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Spaltkontrollsystem gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind aus den entsprechenden Beschreibungen zu entnehmen und als Vorteile der Strömungsmaschine anzusehen.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Spaltkontrollsystem in einem Gehäuse aufgenommen ist und/oder zumindest einen Teil des Gehäuses bildet. Die Aufnahme in einem Gehäuse der Strömungsmaschine erlaubt eine mechanisch stabile, betriebssichere und bauraumsparende Anordnung des Spaltkontrollsystems. Alternativ oder zusätzlich kann dabei vorgesehen sein, dass das Spaltkontrollsystem selbst zumindest einen Teil des Gehäuses bildet. Hierdurch werden aufgrund von Synergieeffekten erhebliche Kosten- und Gewichtssenkungen erzielt.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Ummantelung wenigstens eine Leitschaufel umfasst. Wenn die wenigstens eine Leitschaufel an der Ummantelung bzw. an einem Segment vorgesehen ist, werden vorteilhaft auch die Laufspalte an der Ringrauminnenkontur, das heißt dem Spalt zwischen dem Rotor und der wenigstens einen Leitschaufel, durch das Spaltkontrollsystem eingestellt. Die während des Betriebs der Strömungsmaschine von der wenigstens einen Leitschaufel erzeugten Kräfte wirken dann auf die Segmente.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Segmente der Ummantelung, vorzugsweise mittels wenigstens einer Verstelleinrichtung des Spaltkontrollsystems, miteinander gekoppelt sind. Auf diese Weise werden eine hohe Dichtigkeit der Ummantelung und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine sichergestellt. Durch eine Kopplung mittels wenigstens einer gemeinsamen Verstelleinrichtung können benachbarte Bereiche zweier Segmente vorteilhaft gemeinsam radial bewegt werden. Auf diese Weise wird zudem ein stetiger Übergang von einem Segment zum benachbarten Segment sichergestellt, so dass das Entstehen sichelförmiger Laufspalte besonders zuverlässig verhindert wird. Zudem wird hierdurch auch an der Verbindungsstelle zwischen den Segmenten und der Verstelleinrichtung eine hohe Spielfreiheit erreicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Segment ein Versteifungselement umfasst, mittels welchem eine Krümmung des Segments in Abhängigkeit der Größe des Laufspalts einstellbar ist. Mit Hilfe eines derartigen Versteifungselements kann die Steifigkeitsverteilung des Segments der Ummantelung so gewählt werden, dass unter allen Betriebzuständen der Strömungsmaschine eine konstante Krümmung erzeugbar ist. Damit wird bei der Einstellung der Radialposition des Segments zumindest nahezu eine ideale Kreisform beibehalten. Das Versteifungselement kann dabei als Rippe mit variabler radialer Bauhöhe oder durch Rippen mit abnehmender Breite zu den Segmenträndern hin ausgebildet sein, wodurch die Steifigkeitsverteilung konstruktiv einfach und kostengünstig an das jeweilige Anforderungsprofil der Strömungsmaschine anpassbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spaltkontrollsystem im Bereich einer Niederdruckverdichterstufe und/oder einer Hochdruckverdichterstufe und/oder einer Niederdruckturbinenstufe und/oder einer Hochdruckturbinenstufe der Strömungsmaschine angeordnet ist. Eine derartige Anordnung erlaubt eine besonders variable Ausgestaltung der Strömungsmaschine sowie einen besonders hohen, zumindest weitgehend betriebzustandsunabhängigen Wirkungsgrad.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Ummantelung zwei als Halbringe ausgebildete Segmente und/oder höchstens acht, besonders bevorzugt höchstens sechs Segmente umfasst. Auf diese Weise wird im Gegensatz zum Stand der Technik die Anzahl der Bauteile und dadurch der potenziellen Leckagestellen klein gehalten. Neben einer Verringerung der Herstellungskosten der Strömungsmaschine wird hierdurch auch die Montage- und Wartungsfreundlichkeit erheblich verbessert.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jedes Segment der Ummantelung mit wenigstens drei voneinander beabstandeten Verstelleinrichtungen des Spaltkontrollsystems gekoppelt ist. Hierdurch wird die Darstellung einer kontanten Krümmung jedes Segments besonders zuverlässig sichergestellt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Einstellbarkeit einer konstanten Krümmung durch eine entsprechende geometrische Gestaltung und/oder eine Steifigkeitsverteilung der Segmente gefördert wird. Hierzu kann beispielsweise eine Querschnittskontur jedes Segments so gewählt sein, dass die zweite Ableitung der Biegelinie einen konstanten Wert ergibt und dementsprechend unter allen Betriebszuständen der Strömungsmaschine eine konstante Krümmung erzeugbar ist.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem mehrere Ummantelungen unter Ausbildung mehrerer Laufspalte entlang der Drehachse des Rotors angeordnet und die Laufspalte mittels des Spaltkontrollsystems zwischen dem Rotor und den Ummantelungen gemeinsam einstellbar sind. Hierdurch können die Laufspalte mehrerer Stufen der Strömungsmaschine vorteilhaft gemeinsam mittels des Spaltkontrollsystems eingestellt werden, wodurch signifikante Kosten- und Gewichtseinsparungen gegeben sind.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Laufspalts zwischen einem Rotorschaufeln umfassenden Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, und einer diesen zumindest abschnittsweise umgebenden, wenigstens zwei Segmente umfassenden Ummantelung. Um eine Kompensierung möglichst vieler Einflussgrößen und damit eine zuverlässige und betriebssichere Einstellbarkeit des Laufspalts unter verschiedenen Betriebszuständen der Strömungsmaschine zu ermöglichen, umfasst das Verfahren erfindungsgemäß zumindest die Schritte Ermitteln einer Größe des Laufspalts mittels wenigstens einer Sensoreinrichtung und Übermitteln der Größe an eine Steuer- und/oder Regeleinheit, Steuern bzw. Regeln wenigstens eines Aktuators mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit in Abhängigkeit der ermittelten Größe des Laufspalts, axiales Verschieben und/oder Verschwenken bezüglich einer Drehachse des Rotors eines um den Rotor angeordneten Verstellelements mittels des wenigstens einen Aktuators, Betätigen wenigstens einer Verstelleinrichtung mittels des Verstellelements und radiales Bewegen bezüglich der Drehachse des Rotors wenigstens eines Segments der Ummantelung mittels der wenigstens einen Verstelleinrichtung. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind bereits aus den vorhergehenden Beschreibungen des Spaltkontrollsystems bzw. der Strömungsmaschine zu entnehmen Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Strömungsmaschine bzw. ein Spaltkontrollsystem gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele verwendet wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Größe des Laufspalts im Fall einer fehlerhaften Sensoreinrichtung mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit anhand der übermittelten Größe einer weiteren Sensoreinrichtung ermittelt und der wenigstens eine Aktuator in Abhängigkeit der ermittelten Größe gesteuert bzw. geregelt wird. Hierdurch kann durch eine entsprechende Steuer- bzw. Regellogik eine erhöhte Ausfallsicherheit erzielt werden, indem der wenigstens eine Aktuator in Abhängigkeit der Messsignale der weiteren, intakten Sensoreinrichtung gesteuert wird.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

Fig. 1

ein schematisches Liniendiagramm einer zeit- und lastabhängigen Radiusänderung eines Rotors und einer diesen umgebenden Ummantelung einer Strömungsmaschine;

Fig. 2

eine schematische Perspektivansicht eines Spaltkontrollsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3

eine schematische Schnittansicht des in Fig. 2 gezeigten Spaltkontrollsystems, wobei neben einer Durchmesseränderung und einem Mittelachsenversatz zusätzlich eine Ovalisierung der Ummantelung auftritt;

Fig. 4

eine schematische Perspektivansicht dreier Segmente der in Fig. 2 gezeigten Ummantelung, wobei jedes Segment mit mehreren Verstelleinrichtungen des Spaltkontrollsystems gekoppelt ist;

Fig. 5

mehrere Ausführungsbeispiele von mit Versteifungselementen versehenen Segmenten der Ummantelung;

Fig. 6

eine schematische Perspektivansicht eines mehrere Leitschaufeln umfassenden Segments, welches mittels einer Schubstange gegenüber einem Traggehäuse abgestützt ist;

Fig. 7

ein Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung in schematischer Perspektiv- und Seitenansicht;

Fig. 8

ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung in schematischer Perspektiv- und Seitenansicht;

Fig. 9

eine schematische Perspektivansicht des Spaltkontrollsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 10

eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht einer mit dem in Fig. 9 gezeigten Spaltkontrollsystem versehenen Strömungsmaschine;

Fig. 11

eine schematische und teilgeschnittene Perspektivansicht einer in Fig. 9 gezeigten Verstelleinrichtung; und

Fig. 12

eine schematische seitliche Schnittansicht der Verstelleinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Liniendiagramm einer zeit- und lastabhängigen Radiusänderung eines Rotors und einer diesen umgebenden Ummantelung einer Strömungsmaschine und wurde bereits vorstehend erläutert. Um unabhängig vom Betriebszustand der Strömungsmaschine stets die optimale Laufspaltgröße Δr_opt und damit einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es wie beschrieben erforderlich, den mit der Linie φ2 charakterisierten Ist-Radius der Ummantelung des Rotors mit Hilfe eines Spaltkontrollsystems an den mit der gestrichelt dargestellte Linie φ3 charakterisierten SollRadius anzupassen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Spaltkontrollsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Spaltkontrollsystem dient dabei zum Einstellen des Laufspalts L zwischen einem Rotorschaufeln 10 (s. Fig. 10) umfassenden Rotor 12 (s. Fig. 3) einer Strömungsmaschine 14 (s. Fig. 10), insbesondere einer Gasturbine, und einer diesen zumindest abschnittsweise umgebenden Ummantelung 18. Um einen möglichst kleinen Laufspalt L unter Berücksichtigung aller relevanten Einflussgrößen zu erzielen, ist es notwendig, dass sich die Ummantelung 18 über dem Rotor 12 zu jedem Zeitpunkt an den Durchmesser bzw. den Radius und die Lage des Rotors 12 bzw. seiner Drehachse D anpassen kann. Zu diesem Zweck weist die Ummantelung 18 im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Segmente 16a-d (Liner) auf, die zumindest weitgehend unabhängig voneinander bewegbar sind. Das Spaltkontrollsystem umfasst vorliegend acht, als Verstellgetriebe ausgebildete Verstelleinrichtungen 20, welche jeweils mit wenigstens einem Segment 16 der Ummantelung 18 gekoppelt sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtungen 20 als Aktuatoren, Steuerstangen oder dergleichen ausgebildet sind bzw. Aktuatoren, Steuerstangen oder äquivalente Elemente umfassen. Mittels der Verstelleinrichtungen 20 können die Segmente 16a-d zum Einstellen des Laufspalts radial bezüglich einer Drehachse D des Rotors 12 bewegt werden. Weiterhin umfasst das Spaltkontrollsystem ein um den Rotor 12 anordenbares Verstellelement 22, welches vorliegend im Wesentlichen als Ring ausgebildet ist und zwei gelenkig miteinander verbundene Halbringe als Teilabschnitte 22a, 22b umfasst. Das Verstellelement 22 ist mit den Verstelleinrichtungen 20 gekoppelt und kann zum Betätigen der Verstelleinrichtungen 20 und damit zum Einstellen des Laufspalts L axial bezüglich der Drehachse D des Rotors 12 verschoben oder gegenüber dem Rotor 12 verschwenkt werden. Entsprechend sind die Verstelleinrichtungen 20 ausgebildet, eine zumindest überwiegend axiale Bewegung des Verstellelements 22 in eine zumindest überwiegend radiale Bewegung der jeweils zugeordneten Segmente 16a-d der Ummantelung 18 umzuwandeln. Die Segmente 16a-d sind innerhalb eines konzentrisch zur Drehachse D des Rotors 12 angeordneten, ringförmig ausgebildeten Traggehäuses 24 angeordnet. Das Traggehäuse 24 kann dabei als Außengehäuse der Strömungsmaschine 14 ausgebildet sein oder innerhalb eines separaten Außengehäuses liegen. Die Verstelleinrichtungen 20 - und damit mittelbar das Verstellelement 22 - sind am Traggehäuse 24 festgelegt. Zusätzlich sind im Nahbereich jeder zweiten Verstelleinrichtung 20 insgesamt vier Sensoreinrichtungen 26a-d gleichmäßig voneinander beabstandet am Traggehäuse 24 festgelegt, mittels welchen eine Größe des Laufspalts L an unterschiedlichen Umfangspositionen ermittelbar ist. Zwischen dem Traggehäuse 24 und den radial verschiebbaren Segmenten 16a-d sind Dichtelemente (nicht gezeigt) angeordnet. Die Dichtelemente können als Dichtungsplättchen (sogenannte "Leaf Seals") ausgebildet sein, wobei auch andere Dichtungstypen, beispielsweise Bürstendichtungen oder C-Ringe, vorgesehen sein können. Die Dichtelemente 40 verhindern eine traggehäuseseitige Umströmung der Segmente 16a-d in axialer Richtung.

Das Spaltkontrollsystem umfasst weiterhin vier mit dem Verstellelement 22 gekoppelte Aktuatoren 28a-d, mittels welchem das Verstellelement 22 axial bezüglich der Drehachse D des Rotors 12 verschiebbar oder gegenüber dem Rotor 12 verschwenkbar ist. Die Aktuatoren 28a-d sind dabei gleichmäßig voneinander beabstandet außenumfänglich der Ummantelung 18 sowie jeweils im Bereich einer Verstelleinrichtung 20 angeordnet. Das Spaltkontrollsystem weist Steuer- und/oder Regeleinheit 30 auf, welche mit den Sensoreinrichtungen 26a-d und den Aktuatoren 28a-d gekoppelt ist. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 30 ist ausgelegt, die Aktuatoren 28a-d in Abhängigkeit der mittels der Sensoreinrichtungen 26a-d ermittelten Größe Δr des Laufspalts L zu steuern bzw. zu regeln. Die von den Sensoreinrichtungen 26a-d gelieferten Steuersignale werden hierzu in der Steuer- und/oder Regeleinheit 30 verarbeitet.

Von der Steuer- und/oder Regeleinheit 30 erhält der jeweilige, der betreffenden Sensoreinrichtung 26a-d zugeordnete Aktuator 26a-d im Normalfall ein Signal, das Verstellelement solange axial zu bewegen, bis durch die betreffende Sensoreinrichtung 26a-d die optimale Größe Δr_opt des Laufspalts L ermittelt werden kann. Das Gleiche geschieht an den anderen Sensorpositionen. Dadurch wird es möglich, an verschiedenen Umfangspositionen unterschiedliche Hubbewegungen der Segmente 16a-d auszuführen. Die Sensoreinrichtungen 26a-d können nach verschieden physikalischen Prinzipen arbeiten, beispielsweise kapazitiv, induktiv, optisch, mit Mikrowellen oder mit Wirbelstrom. Gleiches gilt für die Aktuatoren 28a-d, die beispielsweise hydraulisch, pneumatisch, elektrisch, piezoelektrisch oder magnetisch betreibbar sein können.

Im Fehlerfall, z.B. beim Ausfall einer Sensoreinrichtung 26a-d, kann über eine entsprechende Fehlerlogik durch die vorzugsweise redundant ausgebildete Steuer- und/oder Regeleinheit 30 derjenige Aktuator 26a-d, dessen normalerweise zugeordnete Sensoreinrichtung 26a-d ausgefallen ist, dennoch angesteuert werden. Hierzu kann beispielsweise aus den Signalen der verbliebenen funktionsfähigen Sensoreinrichtung 26a-d ein entsprechendes Steuersignal abgeleitet werden.

Bei einer über den Umfang gleichmäßigen Änderung des Laufspalts wird das Verstellelement 22 von allen Aktuatoren 28a-d axial bezüglich der Drehachse D des Rotors 12 verschoben. Bei einem Versatz der Mittelachse M des Traggehäuses 24 gegenüber der Drehachse D wird das Verstellelement 22 hingegen an den einzelnen Aktuatorpositionen unterschiedlich in axialer Richtung bewegt. Das Verstellelement 22 führt dadurch eine räumliche Schwenkbewegung gegenüber dem Rotor 12 bzw. seiner Drehachse D (Taumelbewegung) aus. Hierdurch kann ein konstanter Laufspalt L über den ganzen Umfang der Ummantelung 18 eingestellt werden. Ein besonderer Vorteil der Verstelleinrichtungen 20 liegt dabei darin, dass sie vergleichsweise große Bewegungen der Aktuatoren 28a-d in vergleichsweise kleine Bewegungen der Segmente 16a-d umwandeln können, wodurch der Laufspalt L besonders präzise einstellbar ist.

Grundsätzlich gilt, dass bei einer Rotation des Rotors 12 ein Punkt auf einer Spitze einer Rotorschaufel 10 eine ideale Kreisbahn beschreibt. Ein Kreis ist eindeutig bestimmt, wenn drei Raumpunkte bekannt sind, die auf unterschiedlichen Umfangspositionen in der Kreisebene liegen. Wenn man zunächst den Fall einer Ovalisierung der Ummantelung 18 vernachlässigt, genügen insgesamt drei Sensoreinrichtungen 26 und drei Aktuatoren 28, die mit einem einteiligen Verstellelement 22 verbunden sind, um in unterschiedlichen Betriebszuständen der Strömungsmaschine einen über den Umfang der Ummantelung 18 konstanten Laufspalt L einzustellen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht des in Fig. 2 gezeigten Spaltkontrollsystems, wobei neben einer Änderung des Durchmessers φ bzw. des Radius des Rotors 12 zusätzlich ein Versatz zwischen der Mittelachse M und der Drehachse D sowie eine Ovalisierung der Ummantelung 18 auftritt. Die Ummantelung 18 weist dadurch ihrerseits einen minimalen Durchmesser φ_min sowie einen maximalen Durchmesser φ_max auf, wodurch der Laufspalt L über den Umfang variiert und unterschiedliche Größen Δr_a-d aufweist.

Zum Einstellen eines konstanten Laufspalts L umfasst das bereits in Fig. 2 erläuterte Spaltkontrollsystem die vier Aktuatoren 28a-d und die vier Sensoreinrichtungen 26a-d. Jeder der Aktuatoren 28a-d bewegt das Verstellelement 22 unterschiedlich weit entlang der Drehachse D, wodurch eine Schwenkbewegung erzeugt wird. Dies wird durch den mehrteiligen und gelenkigen Aufbau des Verstellelements 22 ermöglicht. Durch ein lineares Verschieben des Verstellelements 22 entlang der Mittelachse M bzw. der Drehachse D kann eine gleichmäßige Radiusänderung der Ummantelung 18 erzielt werden. Durch ein Kippen des Verstellelements 22 gegenüber der Mittelachse M kann ein Mittellinienversatz ausgeglichen werden. Mit den vier Akuatoren 28a-d kann schließlich auch durch "Verknicken" des Verstellelements 22, d.h. durch relatives Verschwenken der Teilabschnitte 22a, 22b zueinander, die Ovalisierung vollkommen ausgeglichen werden, wenn die gelenkige Verbindung der Teilabschnitte 22a, 22b des Verstellelements 22 in einer durch die Triebwerksachse T und einer Hauptachse H der entstehenden Querschnittsellipse gebildeten Ebene liegen. Bei beliebiger Lage der Hauptachsen H der Querschnittsellipsen wird die Ovalisierung nur teilweise ausgeglichen. Wenn auch bei beliebiger Lage der Querschnittsellipsen die Ovalisierung zumindest annähernd vollkommen ausgeglichen werden soll, so hat sich eine weitere Unterteilung des Verstellelements 22 z.B. in drei Teilabschnitte oder die Verwendung von sechs Aktuatoren 28 als vorteilhaft gezeigt. Da aber die Ovalisierung der Ummantelung 18 normalerweise klein im Vergleich zum Versatz zwischen der Mittelachse M und der Drehachse D ist, hat sich ein Spaltkontrollsystem mit vier Aktuatoren 28 in aller Regel als vollkommen ausreichend gezeigt. Zusammenfassend ist das erfindungsgemäße Spaltkontrollsystem in der Lage, den Laufspalt L über dem Umfang der Ummantelung 18 mit unterschiedlichen Verstellwegen einzustellen. Dadurch kann sowohl auf Änderungen des Durchmessers φ bzw. des Radius' r des Rotors 12 als auch auf einen Versatz zwischen der Mittelachse M der Ummantelung 18 und der Drehachse D des Rotors 12 als auch auf eine Ovalisierung der Ummantelung 18 reagiert werden.

Fig. 4 zeigt eine schematische Perspektivansicht dreier Segmente 16a-c der in Fig. 2 gezeigten Ummantelung 18, wobei jedes Segment 16a-c mit mehreren Verstelleinrichtungen 20 des Spaltkontrollsystems gekoppelt ist. Die Segmente 16a-c werden üblicherweise für einen bestimmten Durchmesser hergestellt. Würden die relativ großen Segmente 16a-d einfach auf einen anderen Radius verschoben, ergäben sich aufgrund ihrer Krümmung, sichelförmige Laufspalte L. Zudem muss bei instationären Betriebszuständen der Strömungsmaschine mit einem radialen Temperaturgradienten, der die Krümmung unkontrolliert verändert, sowie mit Verformungen durch mechanische Beanspruchung (z.B. durch Gaslasten) gerechnet werden. Zur Sicherstellung der geforderten Krümmung der Segmente 16a-d wird daher jedes Segment 16a-d an drei Umfangsstellen mit einer Verstelleinrichtung 20 gekoppelt und durch diese auf eine Kreisbahn mit dem aktuellen Rotordurchmesser zuzüglich des gewünschten Laufspalts L gezwungen. Dabei ist jeweils eine Verstelleinrichtung 20 zwei Segmenten 16 zugeordnet.

Die Segmente 16a-d sind in radialer Richtung mit ihren jeweils benachbarten Segmenten 16 an den Segmenträndern formschlüssig verbunden. Der Formschluss wird durch einen Zugbolzen 31 und eine federbelastete Druckplatte 33 der Verstelleinrichtung 20 erzeugt. Damit wird auch an der Verbindungsstelle der Segmente 16a-d mit den jeweiligen Verstelleinrichtungen 20 Spielfreiheit erreicht. In Umfangsrichtung sind die Segmente 16a-d zueinander verschiebbar, was einerseits wegen der im Betrieb auftretenden unterschiedlichen Temperaturen zwischen den Segmenten 16a-d und dem Traggehäuse 24 und anderseits aufgrund der Möglichkeit die Segmente 16a-d radial zu verschieben notwendig ist (eine radiale Verschiebung aller Segmente 16a-d um z.B. 0,5 mm ergibt eine Änderung der Umfangslänge von 3,14 mm). Zwischen den Angriffspunkten der Verstelleinrichtungen 20 an den Segmenten 16a-d ist die Steifigkeitsverteilung so gewählt, dass unter allen Betriebzuständen eine konstante Krümmung vorliegt.

Fig. 5 zeigt hierzu mehrere Ausführungsbeispiele von jeweils mit Versteifungselementen 32 versehenen Segmenten 16. Mit Hilfe der Versteifungselemente 32 wird bei einer Variation der Radialposition der Segmente 16a-d nahezu eine ideale Kreisform beibehalten. Die Versteifungselemente 32 können dabei einteilig mit den Segmenten 16 ausgebildet sein. Mögliche Ausgestaltungen der Versteifungselemente 32 umfassen beispielsweise Variation der radialen Bauhöhe des Segments 16 oder Rippen mit abnehmender Breite zu den Segmenträndern hin. Auf diese Weise lässt sich die Steifigkeitsverteilung der Segmente 16 optimal anpassen.

Fig. 6 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines mehrere Leitschaufeln 34 umfassenden Segments 16, welches mittels einer an ihren Enden gelenkig gelagerten Schubstange 36 mittelbar gegenüber dem Traggehäuse 24 (nicht dargestellt) der Strömungsmaschine abgestützt ist. Dabei fungiert vorliegend ein Befestigungselement der Verstelleinrichtung 20 gleichzeitig als Stützelement für die Schubstange 36, so dass auftretende Kräfte in das Traggehäuse eingeleitet werden. Die Leitschaufeln 34 können als separate Bauteile oder als integraler Bestandteil der Segmente 16 ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Leitschaufeln 34 am Traggehäuse 24 festgelegt sein. Wenn die Leitschaufeln 34 wie gezeigt an den Segmenten 16 befestigt sind, werden auch die Laufspalte an der Ringrauminnenkontur, das heißt der Laufspalt zwischen dem Rotor 12 und den Leitschaufeln 34, durch das Spaltkontrollsystem eingestellt. Die von den Leitschaufel 34 erzeugten Kräfte wirken dann auf das Segment 16. Damit das Spaltkontrollsystem nicht nachteilig durch diese Kräfte beeinflusst wird, ist es sinnvoll die Kräfte mittels der Schubstange 36 abzuleiten und zu verteilen.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung 20 in schematischer Perspektiv- und Seitenansicht. Die Verstelleinrichtung 20 ermöglicht ebenfalls die Umwandlung einer überwiegend axialen Bewegung des Verstellelements 22 in eine kleine radiale Bewegung des zugeordneten Segments 16. Die Verstelleinrichtung 20 umfasst eine Biegefeder 38, welche auf das Traggehäuse 24 montiert ist und durch einen mit dem Verstellelement 22 gekoppelten Kniehebelmechanismus 42 verformt werden kann. Eine an die Biegefeder 38 angehängte Traverse 44 überträgt die Bewegung auf das Segment 16.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung 20 ist in schematischer Perspektiv- und Seitenansicht in Fig. 8 gezeigt. Hierbei wird die radiale Bewegung der Traverse 44 und damit des Segments 16 durch Verdrehen von mit dem Verstellelement 22 gekoppelten Exzenterwellen 46 erzeugt.

Fig. 9 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Spaltkontrollsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der grundsätzliche Aufbau ist dabei bereits aus der Beschreibung von Fig. 2 bekannt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst das vorliegende Spaltkontrollsystem mehrere Gruppen von jeweils drei, über eine Koppelstange 48 miteinander gekoppelten Verstelleinrichtungen 20, welche jeweils axial bezüglich der Drehachse D des Rotors 12 angeordnet und gemeinsam mittels des Verstellelements 22 betätigbar sind. Entsprechend umfasst die Ummantelung 18 mehrere Gruppen von Segmenten 16, die ebenfalls entlang der Drehachse D des Rotors 12 angeordnet sind. Das Spalthaltungssystem eignet sich daher insbesondere für mehrstufige Strömungsmaschinen. Da die Rotordehnungen der Stufen in einem Hochdruckverdichter ein ähnliches zeitliches Verhalten zeigen - speziell wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe ähnlich gewählt sind - ist es in Verbindung mit einer Optimierung des zeitlichen Dehnverhaltens des Traggehäuses 24 (geometrische Gestaltung, Masseverteilung, Isolierung und dergleichen) möglich, das Spaltverhalten der Stufen weitestgehend aneinander anzugleichen. Durch unterschiedliche Hebellängen an den Verstelleinrichtungen 20 lassen sich bei gleicher Axialbewegung des Verstellelements 22 unterschiedliche Hubbewegungen an den Segmenten 16 der verschiedenen Stufen erzielen. Zudem kann an jeder Stufe ein anderer Laufspalt L eingestellt werden. Damit wird es möglich, durch die Laufspaltgrößenermittlung an einer Stufe die Laufspalte L der anderen Stufen mit derselben Aktuatorbewegung einzustellen.

Fig. 10 zeigt eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht einer mit dem in Fig. 9 gezeigten Spaltkontrollsystem versehenen, mehrstufigen Strömungsmaschine 14. Die Strömungsmaschine 14 bzw. das Spaltkontrollsystem werden im Folgenden in Zusammenschau mit Fig. 11 und Fig. 12 erläutert werden. Fig. 11 zeigt hierbei eine schematische und teilgeschnittene Perspektivansicht einer in Fig. 10 gezeigten Verstelleinrichtung 20, während in Fig. 12 schließlich eine schematische seitliche Schnittansicht der Verstelleinrichtung 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Der allgemeine Aufbau der Strömungsmaschine 14 ist dabei aus dem Stand der Technik bekannt. Die drei in Fig. 10 erkennbaren Verstelleinrichtungen 20 sind entlang der Drehachse D des Rotors 12 angeordnet und an einem Traggehäuse 24 der Strömungsmaschine 14 festgelegt. Aufgrund eines vergleichbaren Ausdehnungsverhaltens werden die drei Verstelleinrichtungen 20 gemeinsam angesteuert und betätigt. Grundsätzlich kann jedoch vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtungen 20 einzeln oder gruppenweise gesteuert bzw. geregelt betätigt werden. Das Spaltkontrollsystem kann dabei grundsätzlich sowohl in Verdichter- als auch in Turbinenstufen angeordnet sein. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Spaltkontrollsystem im Bereich hinterer Stufen der Strömungsmaschine angeordnet ist, da bei diesen aufgrund der kleinen Schaufeln das Verhältnis zwischen Laufspalt und Schaufelgröße besonders relevant ist.

Jede Verstelleinrichtung 20 ist mit Dichtelementen 52 abgedichtet. Zwei Liner-Segmente 16a, 16b werden von einem Federelement 54 (z.B. Schraubenfeder, Tellerfederpacket etc.) über eine Druckhülse 80 und die Druckplatte 33 radial nach innen in Richtung Rotor 12 gedrückt. Damit kein Segment 16 in den Rotor 12 bewegt wird, kann jedes Segment 16 über ein Gewinde 58, welches im in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel als Kugelumlaufgewinde und im in Fig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel als Bewegungsgewinde ausgebildet ist, radial vom Rotor 12 wegbewegt werden. Die Kraftübertragung erfolgt jeweils über ein Drucklager 60 auf eine Ankerplatte 62 und den Zugbolzen 31. Dieser ist formschlüssig mit dem Segment 16 bzw. den Segmenten 16a, 16b verbunden, wobei in Fig. 12 eine Gleitstelle zwischen dem Segment 16b und dem Zugbolzen 31 beispielhaft mit Pfeil XII gekennzeichnet ist. Die beschriebene Anordnung bietet den Vorteil, dass durch die Federelemente 54 die gesamte Verstelleinrichtung 20 verspannt und damit spielfrei ist.

Das Gewinde 58 bietet in Kombination mit dem Drucklager 60 den Vorteil, dass die Verstelleinrichtung 20 einen geringen Verschleiß und eine geringe innere Reibung besitzt. Im Gegensatz zum aus der US 5,104,287 bekannten Spaltkontrollsystem sind die Federelemente 54 vorliegend in die Verstelleinrichtung 20 integriert und außerhalb des Außengehäuses 50 und damit im vergleichsweise kalten Bereich der Strömungsmaschine 14 angeordnet. Zwischen dem Außengehäuse 50 und der Verstelleinrichtung 20 sowie innerhalb der Verstelleinrichtung 20 sind mehrere Dichtelemente 52 angeordnet. Diese geben den Bauteilen die erforderliche Bewegungsmöglichkeit (Hubbewegung und thermische Differenzdehnung) und dichten zugleich Räume mit unterschiedlichen Drücken gegeneinander ab. Alternativ können auch als Kolbenringe, C-Dichtungen, Faltenbälge oder dergleichen ausgebildete Dichtelemente 52 vorgesehen sein.

In Fig. 12 ist ein Betätigungshebel 66 der Verstelleinrichtung 20 erkennbar, welche einerseits mit dem Verstellelement 22 gekoppelt und andererseits drehfest mit dem Gewinde 58 verbunden ist, um die zumindest im Wesentlichen axiale Bewegung des Verstellelements 22 in eine kleinere radiale Bewegung umzuwandeln. Eine grundsätzlich optionale Rasterung erleichtert in manchen Anwendungen die gewünschte Einstellbarkeit des Laufspalts L. Wie bereits vorstehend erläutert, funktioniert die Verstelleinrichtung 20 gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der Art eines Spindeltriebs. Die Verstelleinrichtung 20 ist am Traggehäuse 24 der Strömungsmaschine durch Schrauben, Schweißen oder dergleichen befestigt.

In Fig. 12 ist weiterhin eine Verbindungshülse 82 erkennbar. Das Federelement 54 (Schraubenfeder, Tellerfederpacket etc.) drückt die Segmente 16a, 16b über einen Druckbolzen 80 und die Druckplatte 33 an den Segmenträndern oder in der Segmentmitte (nicht gezeigt) radial in Richtung der Triebwerksachse, wobei sich das Federelement 54 am Bolzenteil des Gewindes 58 abstützt. Das Mutterteil 58a des Gewindes 58 wirkt über ein Drucklager auf die Ankerplatte 62 und über den Zugbolzen 31 auf die Segmente 16a, 16b bzw. im Fall einer Anordnung in einer Segmentmitte auf ein einzelnes Segment 16. Der Zugbolzen 31 wirkt dem Druckbolzen 80 entgegen, wodurch die gesamte Verstelleinrichtung 20 in sich vorgespannt und damit spielfrei ist. Das Verdrehen des Mutterteils 58a bewirkt eine radiale Verschiebung der Ankerplatte 62 und der mittelbar mit dieser verbundenen Segmente 16a, 16b. An den Gleitstellen (Pfeil XII) zwischen Verstelleinrichtung 20 und Gehäusen (Außengehäuse 50 bzw. Traggehäuse 24) sowie innerhalb der Verstelleinrichtung 20 sind verschiedene Dichtelemente 52 (Kolbenringe, C-Ringe, Faltenbälge, etc.) vorgesehen. Die Verbindungshülse 82, das Gewinde 58 und die Ankerplatte 62 bilden dabei vorliegend ein Verstelleinrichtungsgehäuse 90.

Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.