DE4031478A1

DE4031478A1 - Laufschaufelspitzenspaltbreitensteuer- vorrichtung mit nockenbetaetigter mantelringsegmentpositioniervorrichtung

Info

Publication number: DE4031478A1
Application number: DE4031478A
Authority: DE
Inventors: Robert James Corsmeier; Ambrose Andreas Hauser
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1991-08-29
Also published as: IT9021704A0; JPH03249304A; IT1243444B; FR2658563A1; US5049033A; GB2241024A; GB9022099D0; IT9021704A1; CA2027389A1

Description

Die vorliegende Anmeldung nimmt Bezug auf die älteren deut schen Patentanmeldungen P 40 28 328.3, P 40 28 330.5 und P 40 22 687.5 sowie auf eine gleichzeitig eingereichte deut sche Patentanmeldung, für welche die Priorität der US-Pa tentanmeldung, Serial No. 4 80 198, vom 12. Februar 1990 in Anspruch genommen worden ist.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentrieb werke und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Steu ern der Spaltbreite zwischen benachbarten umlaufenden und nichtumlaufenden Bauteilen eines Gasturbinentriebwerks.

Der Wirkungsgrad eines Gasturbinentriebwerks ist von vielen Faktoren abhängig, von denen einer die radiale Spaltbreite zwischen benachbarten umlaufenden und nichtumlaufenden Bau teilen wie den Laufschaufelspitzen und dem Gehäusemantel ring, welcher die äußeren Spitzen der Laufschaufeln umgibt, ist. Wenn diese Spaltbreite oder dieses Spiel zu groß ist, kommt es zu einem unannehmbaren Ausmaß an Gasleckage und einem damit verbundenen Wirkungsgradverlust. Wenn die Spaltbreite zu klein ist, besteht die Gefahr, daß es unter gewissen Bedingungen zu einem Kontakt zwischen den Teilen kommt.

Die Gefahr, daß es zu einem Kontakt kommt, ist besonders akut, wenn sich die Triebwerksdrehzahl ändert, also zu- oder abnimmt, da Temperaturdifferenzen an dem Triebwerk häufig dazu führen, daß sich die umlaufenden und nichtum laufenden Teile in unterschiedlichem Ausmaß radial ausdeh nen und zusammenziehen. Beispielsweise bleibt bei Trieb werksbeschleunigungen das thermische Wachstum des Rotors üblicherweise hinter dem des Gehäuses zurück. Während des stationären Betriebes ist das Wachstum des Gehäuses dem des Rotors gewöhnlich enger angepaßt. Beim Abbremsen des Trieb werks zieht sich das Gehäuse schneller als der Rotor zusam men.

Steuervorrichtungen, die üblicherweise mechanisch oder thermisch betätigt werden, sind im Stand der Technik be reits vorgeschlagen worden, um die Laufschaufelspitzen spaltbreite im wesentlichen konstant zu halten. Bislang dürfte jedoch keine für die Steuerung der Spaltbreite opti mal ausgelegt sein.

Es gibt infolgedessen nach wie vor einen Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung zur Spalt breitensteuerung, die gestattet, eine minimale Spaltbreite zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Mantelring in dem gesamten Betriebsbereich des Triebwerkes aufrechtzuerhalten und dadurch die Triebwerksleistung zu verbessern und den Brennstoffverbrauch zu senken.

Die Erfindung schafft eine Laufschaufelspitzenspaltbreiten steuervorrichtung, welche den vorgenannten Bedarf deckt und mit welcher die vorgenannten Zwecke erreicht werden. Wei ter, bei der Laufschaufelspitzenspaltbreitensteuervorrich tung wird eine nockenbetätigte Mantelringsegmentposi tioniervorrichtung benutzt, mit der diese Zwecke ohne eine große Gewichtszunahme erreicht werden. Die Bauteile der Po sitioniervorrichtung, welche die Nockenflächen aufweisen, sind zur einfachen Wartung außerhalb des Gehäuses ange ordnet. Weiter, die Größe der Nockenflächen kann so groß wie nötig gemacht werden, um Verschleiß zu verringern und die Lebensdauer zu verlängern. Die Positioniervorrichtung hat eine geringe Anzahl von Bauteilen, die leicht her gestellt und montiert werden können und so angeordnet sind, daß sich eine große mechanische Verstärkung ergibt, bei spielsweise von 150 zu 1, was die radiale Ein- und Aus wärtsbewegung des Mantelringsegments gegenüber einer Gleichlaufringbewegung sehr unempfindlich macht.

Die Spaltbreitensteuervorrichtung nach der Erfindung ist in einem Gasturbinentriebwerk vorgesehen, das einen drehbaren Rotor aufweist, der eine zentrale Achse und einen Kranz von Laufschaufeln mit Spitzen sowie ein stationäres Gehäuse mit einem Mantelring hat, der konzentrisch zu dem Rotor ange ordnet ist. Die Spaltbreitensteuervorrichtung, mittels wel cher die Spaltbreite zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Gehäusemantelring steuerbar ist, umfaßt: a) ein Mantel ringsegment, das einen Umfangsteil des Gehäusemantelringes bildet, von dem Gehäuse getrennt und mit Abstand radial einwärts desselben angeordnet ist; b) wenigstens eine Befe stigungsvorrichtung an dem stationären Gehäuse, die einen Durchlaß zwischen der äußeren und der inneren Seite des Ge häuses bildet, wobei die Befestigungsvorrichtung mit radia lem Abstand außerhalb von dem Mantelringsegment angeordnet ist; c) eine Mantelringsegmentpositioniervorrichtung, die durch die Befestigungsvorrichtung des stationären Gehäuses gehalten, mit dem Mantelringsegment verbunden und betätig bar ist, um das Mantelringsegment zu dem Rotor hin- und von demselben wegzubewegen, um eine ausgewählte Position rela tiv zu dem Rotor zu erreichen, in welcher eine gewünschte Spaltbreite zwischen dem Mantelringsegment und den Lauf schaufelspitzen vorhanden ist; und d) ein Betätigungsteil in Form eines Hebelarms, der drehbar ist, um die Positio niervorrichtung zu betätigen.

Die Positioniervorrichtung weist ein Tragteil sowie ein er stes und ein zweites Nockenelement auf. Das Tragteil ist in dem Durchlaß, der durch die Gehäusebefestigungsvorrichtung gebildet wird, so angeordnet, daß es relativ zu der Befe stigungsvorrichtung und zu der zentralen Rotorachse hin und von derselben weg radial beweglich ist. Das Tragteil hat eine Längsachse und entgegengesetzte innere und äußere En den, wobei das Mantelringsegment mit dem inneren Ende des Tragteils auf der inneren Seite des Gehäuses verbunden ist. Das erste Nockenelement ist an dem äußeren Ende des Trag teils stationär befestigt und auf der äußeren Seite des Ge häuses und mit Abstand außerhalb von der Befestigungsvor richtung angeordnet. Das zweite Nockenelement ist an einem inneren Ende des Hebelarms befestigt, der an der Befesti gungsvorrichtung zur Drehbewegung relativ zu derselben und um die Längsachse des Tragteils bei der Drehung des Hebel arms zum Betätigen der Positioniervorrichtung befestigt ist. Das zweite Nockenelement ist auf der äußeren Seite des Gehäuses zwischen der Befestigungsvorrichtung und dem er sten Nockenelement angeordnet und mit dem ersten Nockenele ment in Berührung, so daß die Drehung des zweiten Nocken elements bei der Betätigung der Positioniervorrichtung durch die Drehung des Hebelarms eine Radialbewegung des er sten Nockenelements und damit eine Radialbewegung eines Schafts und des Mantelringsegments zu dem Rotor hin und von demselben weg erzeugt, damit es die ausgewählte Position relativ zu dem Rotor erreicht. Außerdem weist die Positioniervorrichtung eine Einrichtung auf, die mit dem inneren Schaftenende verbunden und auf der inneren Seite des Gehäuses angeordnet ist, um das Mantelringsegment schwenkbar abzustützen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gas turbinentriebwerks,

Fig. 2 eine axiale Längsschnittansicht einer bekannten mechanischen Vorrichtung zum Steuern der Spaltbreite zwischen Laufschaufelspitzen und einem statio nären Gehäusemantelring,

Fig. 3 eine axiale Längsschnittansicht einer weiteren bekannten mechanischen Vor richtung zum Steuern der Spaltbreite zwischen einem Rotor und Leitschau felspitzen,

Fig. 4 eine axiale Längsschnittansicht von noch einer weiteren mechanischen Vor richtung zum Steuern der Spaltbreite zwischen Laufschaufelspitzen und sta tionärem Gehäusemantelring sowie dem Rotor und Leitschaufelspitzen,

Fig. 5 eine axiale Längsschnittansicht einer Ausführungsform einer Laufschaufel spitzenspaltbreitensteuervorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 6 eine innere Draufsicht auf eine Noc kenscheibe der Vorrichtung nach der Linie 6-6 in Fig. 5,

Fig. 7 eine äußere Ansicht eines Betäti gungsarms und einer Lagerbüchse sowie eine Querschnittansicht einer Halter stange der Vorrichtung nach der Linie 7-7 in Fig. 5,

Fig. 8 eine Querschnittansicht der Vorrich tung nach der Linie 8-8 in Fig. 5,

Fig. 9 eine äußere Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf die Vorrichtung nach der Linie 9-9 in Fig. 8,

Fig. 10 eine Ansicht, die der nach Fig. 5 gleicht, einer weiteren Ausführungs form der Spaltbreitensteuervorrich tung nach der Erfindung, und

Fig. 11 eine äußere Draufsicht auf einen Be tätigungsarm, eine Nockenscheibe und eine Befestigungsmutter der Vorrich tung nach der Linie 11-11 in Fig. 10.

In der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Außerdem werden in der folgenden Beschreibung Begriffe wie "vorwärts", "rück wärts", "links", "rechts", "aufwärts", "abwärts" und dgl. lediglich der Zweckmäßigkeit halber verwendet und sind nicht in einschränkendem Sinn zu verstehen.

Allgemein

Fig. 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Gasturbinen triebwerk, bei dem die Erfindung angewandt wird. Das Trieb werk 10 hat eine Längsmittellinie oder -achse A und ein kreisringsförmiges Gehäuse 12, das koaxial und konzentrisch um die Achse A angeordnet ist. Das Triebwerk 10 enthält ein Gasgenerator-Kerntriebwerk 14, das aus einem Verdichter 16, einer Brennkammer 18 und einer Hochdruckturbine 20, und zwar einer ein- oder mehrstufigen, besteht, die alle ko axial um die Längsachse oder -mittellinie A des Triebwerks 10 axial in Reihenströmungsverbindung angeordnet sind. Eine ringförmige Antriebswelle 22 verbindet den Verdichter 16 und die Hochdruckturbine 20 fest miteinander.

Das Kern- bzw. Grundtriebwerk 14 erzeugt Verbrennungsgase. Druckluft aus dem Verdichter 16 wird mit Brennstoff in der Brennkam mer 18 vermischt und gezündet, wodurch die Verbrennungsgase erzeugt werden. Arbeit wird diesen Gasen durch die Hoch druckturbine 20 entnommen, welche den Verdichter 16 an treibt. Die übrigen Verbrennungsgase werden von dem Grund triebwerk 14 an eine Niederdruckarbeitsturbine 24 abgege ben.

Die Niederdruckturbine 24 enthält einen ringförmigen Trom melrotor 26 und einen Stator 28. Der Rotor 26 ist durch ge eignete Lager 30 drehbar befestigt und weist mehrere Turbinenlaufschaufelkränze 34 auf, die sich von ihm aus ra dial nach außen erstrecken und gegenseitigen axialen Ab stand haben. Der Stator 28 ist radial außerhalb des Rotors 26 angeordnet und hat mehrere Leitschaufelkränze 36, die an ihm fest angebracht sind und sich von dem stationären Ge häuse 12 aus radial einwärts erstrecken. Die Leitschaufel kränze 36 haben gegenseitigen axialen Abstand, so daß sie mit den Turbinenlaufschaufelkränzen 34 abwechseln. Der Ro tor 26 ist auf der Antriebswelle 38 fest angebracht und mit der Antriebswelle 22 über Differentiallager 32 verbunden. Die Antriebswelle 38 versetzt ihrerseits einen vorderen Zu satzverdichterrotor 39 in Drehung, der Teil eines Zusatz verdichters 40 ist und außerdem vordere Fanlaufschaufel kränze 41 trägt, die in einer Gondel 42 untergebracht sind, welche um das stationäre Gehäuse 12 durch mehrere Streben 43 abgestützt ist, von denen nur eine gezeigt ist. Der Zu satzverdichter 40 besteht aus mehreren Zusatzverdichter- Laufschaufelkränzen 44, die an dem Zusatzverdichterrotor 39 fest angebracht sind und sich von diesem radial nach außen erstrecken und sich mit diesem gemeinsam drehen, und aus mehreren Zusatzverdichter-Leitschaufelkränzen 46, die an dem stationären Gehäuse 12 fest angebracht sind und sich von diesem aus radial einwärts erstrecken. Sowohl die Zu satzverdichter-Laufschaufelkränze 44 als auch die Zusatz verdichter-Leitschaufelkränze 46 haben gegenseitigen axia len Abstand und sind so angeordnet, daß sie miteinander ab wechseln.

Bekannte Spaltbreitensteuervorrichtung

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen drei Variationen einer bekannten Spaltsteuervorrichtung, die insgesamt mit 48 bezeichnet ist (und auf den S. 8 und 15 einer Veröffentlichung mit dem Ti tel "Thermal Response Turbine Shroud Study" von E. J. Ka wecki, Juli 1979, Technical Report AFAPL-TR-79-2087, ge zeigt ist). Die Spaltbreitensteuervorrichtung 48 dient zum Ändern der Breite des Spitzenspalts C zwischen den Leit schaufeln 50, die mit einem stationären Gehäuse 52 verbun den sind, und einem Rotor 56 und/oder der Breite des Spalts C′ zwischen den Spitzen der Laufschaufeln 54 und dem Gehäu semantelring 53 eines Gasturbinentriebwerks, zum Beispiel des soeben beschriebenen Triebwerks 10.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das Mantelringseg ment 53 von dem Gehäuse 52 getrennt und an dem Ende einer Schraube 64 zur Radialbewegung relativ zu dem Gehäuse 52 zu der Spitze der Laufschaufel 54 hin und von derselben weg zum Einstellen der Breite des Spalts C zwischen denselben befestigt. In den Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 sind die Leitschaufeln 50 auf Schäften 58 befestigt, die ihrerseits in Öffnungen 60 in dem Gehäuse 52 zur Radialbe wegung zu dem Rotor 56 hin und von demselben weg angeordnet sind. Jeder Schaft ist mit einem Hebelarm 62 durch eine der Schrauben 64 gekuppelt, die in ein Anschlußstück 66 einge schraubt ist, das an dem Gehäuse 52 befestigt ist. Außerdem dreht ein Gleichlaufring 68 bei seiner Umfangsbewegung die Schraube 64 über den Hebelarm 62, um die Spaltbreite zu verstellen. Zum Reduzieren der Auswirkungen von thermischer Ausdehnung auf die Spaltbreitensteuervorrichtung 48 hat jede Schraube 64 Gewindegänge 70 rechteckigen Querschnitts. Bei jeder dieser Ausführungsformen ist das Mantelringseg ment 53 an dem stationären Gehäuse 52 befestigt, wobei das Mantelringsegment 53 in der Ausführungsform nach Fig. 3 fest angebracht und in der Ausführungsform nach Fig. 4 be weglich angebracht ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 verstellt die Spalt breitensteuervorrichtung 48 die Breite des Spalts C zwi schen der Spitze der Leitschaufel 50 und dem Rotor 56, ver stellt aber nicht die Breite des Spalts C′ zwischen der Spitze der Laufschaufel 54 und dem Mantelringsegment 53. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 jedoch verstellt die Spaltbreitensteuervorrichtung 48 nicht nur die Breite des Spalts C zwischen der Spitze der Leitschaufel 50 und dem Rotor 56, sondern gleichzeitig damit auch die Breite des Spalts C′ zwischen der Spitze der Laufschaufel 54 und dem Mantelringsegment 53.

Spaltbreitensteuervorrichtung nach der Erfindung

Die Fig. 5-9 zeigen eine erste Ausführungsform einer insge samt mit 72 bezeichneten mechanischen Spaltbreitensteuer vorrichtung nach der Erfindung. Diese Vorrichtung 72 kann vorteilhafterweise bei allen Verdichter- und Turbinenroto ren eines Gasturbinentriebwerks wie dem in Fig. 1 darge stellten Triebwerk 10 benutzt werden, bei denen die Rotoren glatte, ummantelte äußere Strömungswege haben und Betriebs mindestspaltbreiten zwischen den Laufschaufelspitzen und dem die Ummantelung bildenden Mantelring über dem Betriebs bereich des Triebwerks erforderlich sind. Außerdem ist die Spaltbreitensteuervorrichtung 72 entweder bei Flugzeug gasturbinentriebwerken oder bei landgestützten Gasturbinen triebwerken verwendbar.

Die Spaltbreitensteuervorrichtung 72 dient zum Steuern des Spalts zwischen einem stationären Gehäuse 74 und äußeren Spitzen 76A einer Vielzahl von Laufschaufeln 76 (in den Fig. 5 und 8 gezeigt) eines Rotors (nicht dargestellt), die sich auf alternierende Weise zwischen Leitschaufeln (nicht dargestellt) radial nach außen erstrecken, welche ihrer seits an dem Gehäuse 74 stationär befestigt sind und sich von dem Gehäuse 74 aus radial einwärts erstrecken. Mehrere Spaltbreitensteuervorrichtungen 72 (von denen nur eine in Fig. 5 gezeigt ist) sind mit einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Gleichlaufring 78 gekuppelt, um bewegte Teile der Vorrichtung 72 gemeinsam zu betätigen und die Spalt breite auf den gesamten 360 Grad um die Laufschaufelspitzen 76A und das stationäre Gehäuse 74 zu steuern.

Jede Spaltbreitensteuervorrichtung 72 weist wenigstens ein und vorzugsweise zwei oder mehr als zwei Mantelringsegmente 80 (gemäß der Darstellung in Fig. 8) auf, die jeweils einen langgestreckten, bogenförmigen Körper haben. Die Mantel ringsegmente 80 bilden aufeinanderfolgende Umfangsteile ei nes Gehäusemantelringes und sind von dem Gehäuse 74 ge trennt und mit Abstand radial einwärts von demselben ange ordnet. Außer den Mantelringsegmenten 80 weist jede Spalt breitensteuervorrichtung 72 zwei Befestigungsvorrichtungen in Form von zylindrischen Vorsprüngen 82 auf, die an dem Gehäuse 74 gebildet sind, eine Mantelringsegmentpositio niervorrichtung 84 und zwei Betätigungsteile in Form von Hebelarmen 86 zum Betätigen der Positioniervorrichtung 84. Die Befestigungsvorsprünge 82 sind an dem Gehäuse 74 ange formt, bilden Durchlässe 88, die sich zwischen der äußeren Seite und der inneren Seite des Gehäuses 74 erstrecken, sind mit Abstand radial außerhalb von den Mantelringsegmen ten 80 angeordnet und stehen von der äußeren Seite des Ge häuses nach außen vor. Die Positioniervorrichtung 84 ist durch die stationären Gehäusevorsprünge 82 gehalten und mit den Mantelringsegmenten 80 verbunden. Die Hebelarme 86 (von denen nur einer in Fig. 5 zu erkennen ist) werden durch den Gleichlaufring 78 gedreht, um die Positioniervorrichtung 84 zu betätigen und die Mantelringsegmente 80 zu den Lauf schaufelspitzen 76A hin- und von denselben wegzubewegen, damit sie eine ausgewählte Position relativ zu diesen er reichen, in welchen eine gewünschte Spaltbreite zwischen den Mantelringsegmenten 80 und den Laufschaufelspitzen 76A vorhanden ist.

Jede Positioniervorrichtung 84 weist zwei in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Tragschäfte oder -achsen 90 auf, einen Mantelringaufhänger oder -halter 92 und Paare von äu ßeren Nockenelementen 94 und inneren Nockenelementen 96. Jeder Schaft 90 ist an einem Vorsprung 82 befestigt und er streckt sich durch dessen Durchlaß 88, so daß er relativ zu demselben eine radiale Verschiebebewegung zu der zentralen Achse A des Triebwerks und des Rotors desselben hin und von derselben weg ausführen kann. Der Teil des Tragschafts 90, der sich durch den Durchlaß des Vorsprunges 82 erstreckt, ist als langgestreckter, massiver Schaft 90 mit insgesamt zylindrischer Querschnittsform ausgebildet und hat eine Längsachse R, die sich in radialer Richtung erstreckt.

Zwei Lagerteile 98 sind in der Spaltbreitensteuervorrich tung 72 vorgesehen. Die Lagerteile 98 sind in die Vor sprünge 82 eingepaßt und erstrecken sich durch deren Durch laß 88. Jedes Lagerteil 98 hat einen rohrförmigen Körper 98A, der eine innere Lagerfläche bildet, mit der der Schaft 90 in Gleitberührung ist, und einen Umfangsflansch 98B, der an der Außenseite des rohrförmigen Körpers 98A zwischen dem äußeren und dem entgegengesetzten inneren Ende des Körpers befestigt ist und von diesem nach außen vorsteht. Der Flansch 98B und das Lagerteil 98 sind an dem rohrförmigen Körper desselben wesentlich näher bei dem äußeren Ende als bei dem inneren Ende desselben befestigt. Daher sitzen die Flansche 98B auf einem äußeren Ende 82A des einen Vor sprunges 82, so daß ein äußerer Endteil 98C des Körpers 98A von dem Vorsprung 82 und dem Flansch 98B vorsteht. Der Flansch 98B und der äußere Körperendteil 98C liegen an der äußeren Seite des Gehäuses 74 frei und bilden äußere Lager flächen, welche ein inneres Ende 86A des zugeordneten Betä tigungshebelarms 86 der Vorrichtung 72 berühren und drehbar halten.

Der Mantelringhalter 92 der Positioniervorrichtung 84 ist auf der inneren Seite des Gehäuses 74 an den Mantelringseg menten 80 angeordnet. Der Mantelringhalter 92 hat einen langgestreckten, bogenförmigen Körper, der sich zwischen den inneren Enden 90A des Schafts 90 erstreckt und an sei nen entgegengesetzten Enden mit den inneren Enden 90A des Schafts 90 durch Drehzapfen 100 drehbar verbunden ist, die sich durch Querbohrungen 102 erstrecken, welche in den Schaftenden 90A gebildet sind. Der Mantelringhalter 92 hat zwei gegenseitigen axialen Abstand aufweisende und sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten 104, die einander zuge wandt sind, zum verschiebbaren Aufnehmen und lösbaren Hal ten der Mantelringsegmente 80 an gegenseitigen Abstand auf weisenden Längsrandteilen derselben und mit gegenseitigem Abstand zwischen deren Enden in Tandemanordnung, wie es am besten in den Fig. 5 und 8 zu erkennen ist. Der schmale Zwischenraum zwischen den Mantelringsegmenten 80 an deren benachbarten Enden und die langgestreckte Querschnittsform einer der Bohrungen 102 in einem der inneren Schaftenden kompensiert die Änderung im Umfang des Mantelringes, die durch die Mantelringsegmente 80 hervorgerufen wird, wenn diese sich radial zu den Laufschaufelspitzen 76A hin- und von denselben wegbewegen. In den Fig. 8 und 9 ist zu erken nen, daß sich jeweils zwei benachbarte Mantelringhalter 92 einen der Schäfte 90 teilen.

Jedes äußere Nockenelement 94 der Positioniervorrichtung 84 hat die Form einer ringförmigen Scheibe 94, die eine schraubenförmige Kurven- oder Nockenfläche 94A hat, welche auf der inneren Seite der Scheibe gebildet ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 6 hat die Scheibe 94 außerdem eine D- förmige Öffnung 94B zum Einführen des äußeren Endes 90B des Schafts 90, das einen komplementären, D-förmigen Quer schnitt hat. Diese Konfigurationen der Scheibenöffnung 94B und des äußeren Schaftendes 90B verhindern eine Rela tivdrehung zwischen der Scheibe 94 und dem Schaft 90. Das äußere Ende 90B des Schafts 90 und die Scheibe 94 sind auf der äußeren Seite des Gehäuses 74 und mit Abstand außerhalb von dem äußeren Ende 82A des Vorsprunges 82 angeordnet.

Das innere Ende 86A des Hebelarms 86 ist zwischen der Scheibe 94 und dem Flansch 98B des Lagerteils 98 angeord net, das auf dem äußeren Ende 82A des Vorsprunges 82 sitzt. Das innere Hebelarmende 86A enthält ein kreisförmiges Loch 86B (Fig. 7), durch das sich der Schaft 90 und der äußere Endteil 98C des Lagerteils 98 erstrecken, so daß sich der Hebelarm 86 an seinem inneren Ende 86A um die Längsachse R des Schafts 90 dreht. Das innere Nockenelement 96 hat eine schraubenförmige Kurven- oder Nockenfläche 96A, die auf ei ner äußeren Seite des inneren Endes 86A des Hebelarms 86 gebildet ist und eine zu der Konfiguration der Nockenfläche der Scheibe 94 komplementäre Konfiguration hat, so daß sie mit derselben zusammenpaßt. Deshalb erzeugt die Drehung der inneren Nockenelemente 96 bei Drehung der Hebelarme 86 eine Radialbewegung der äußeren Nockenscheiben 94 und der Trag schäfte 90 und damit des Mantelringhalters 92 und der Man telringsegmente 80 zu den Laufschaufelspitzen 76A hin und von denselben weg.

Darüber hinaus weist die Positioniervorrichtung 84 zwei Kontermuttern 106 auf. Gemäß der Darstellung in Fig. 5 ist jede Mutter 106 auf den Außengewindeteil des äußeren Endes des Schafts 90 aufgeschraubt. Die Kontermutter 106 hält die äußere Nockenscheibe 94 auf den äußeren Enden 90B des Schafts 90 lösbar fest. Außerdem ist in der Positioniervor richtung 84 ein Federteil 108 vorgesehen. Das Federteil 108 ist an dem äußeren Ende 82A jedes Vorsprunges 82 befestigt und über und in Eingriff mit einer Nut 110 angeordnet, die an dem distalen Ende des Schafts 90 gebildet ist, so daß das äußere Nockenelement 94 gegen das innere Nockenelement 96 vorgespannt ist und die gegenseitige Berührung derselben aufrechterhalten wird. Wenn das Triebwerk 10 in Betrieb ist, hält der Druck der Kühlluft die Mantelringsegmente 80 nach innen gedrückt. Dadurch werden auch die zusammenpas senden Flächen der Nockenelemente in engem Kontakt gehal ten. Wenn das Triebwerk nicht läuft, tendieren die Oberflä chen dazu, sich etwas zu öffnen. Wenn das unerwünscht ist, können die Federteile 108 benutzt werden, um die Nockenflä chen fest zusammenzuhalten.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Positionier vorrichtungen 84 der Vorrichtungen 72 mit dem Gleichlauf ring 78 gekuppelt und betätigbar sind, um die Mantelringse gmente 80 zu den Laufschaufelspitzen 76A radial hin- und von denselben radial wegzubewegen, damit sie eine ausge wählte Position relativ zu dem Rotor (nicht dargestellt) erreichen, in welcher eine gewünschte Spaltbreite (Spalt G) in den Fig. 5 und 8 zwischen den Mantelringsegmenten 80 und den Laufschaufelspitzen 76A vorhanden ist. Außerdem halten die Positioniervorrichtungen 84 die Mantelringsegmente 80 in den ausgewählten Positionen, um die gewünschte Spalt breite zwischen den Mantelringsegmenten und den Laufschau felspitzen bei Beendigung der Drehung des Gleichlaufringes 78 aufrechtzuerhalten. Die Federteile 108 üben weiterhin eine einwärts gerichtete Vorspannkraft auf die Mantelring segmente 80 über die Schäfte 90 ungeachtet der Radialposi tion der letzteren aus, um die gegenseitige Anlage der Noc kenflächen zu gewährleisten und Vibration und Rattern der Bauteile zu verhindern.

Die oben beschriebene Anordnung der Positioniervorrichtung 84 gestattet gemäß der Darstellung in Fig. 5 eine Beziehung zwischen der Länge des Hebelarms 86, des Radius des Gleich laufringes 78 und des Radius der Nockenflächen, welche eine große mechanische Verstärkung relativ zu dem Ausmaß an Ra dialbewegung des Schafts 90 und des Mantelringsegments 80, die durch eine bestimmte Umfangsbewegung des Gleichlaufrin ges 78 erzeugt wird, ergibt. Zum Beispiel kann ein Verhält nis von 150 zu 1 zwischen der Bewegung des Gleichlaufringes im Vergleich zu der Bewegung der Mantelringsegmente erzeugt werden, was die Radialbewegung der Mantelringsegmente für die Hebel/Gleichlaufring-Bewegung relativ unempfindlich macht.

In Fällen, in welchen es erwünscht ist, den Radius des Gleichlaufringes 78 zu verkleinern, um die Länge des Hebel arms 86 zu verkleinern und die Höhe des Vorsprunges 82 zu verringern, um das Gesamtprofil der Positioniervorrichtung 84 zu reduzieren, das sich von der Gehäuseaußenseite nach außen erstreckt, können gewisse Modifizierungen vorgenommen werden, um diese Änderungen im Rahmen der Erfindung zu kom pensieren, was im folgenden erläutert ist.

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine zweite Ausführungsform der Positioniervorrichtung 84 mit niedrigen Vorsprüngen, die eine gegenüber der ersten Ausführungsform mit hohen Vor sprüngen, welche oben erläutert und in den Fig. 5-9 darge stellt ist, etwas modifizierte Form hat. Lediglich die Mo difizierungen, die sich durch die zweite Ausführungsform der Vorrichtung 72 ergeben, werden beschrieben. Insgesamt ist die Höhe des Gehäusevorsprunges 82 wesentlich verkürzt worden, der Gleichlaufring 78 ist im Radius verkleinert worden, und der Hebelarm 86 ist gekürzt worden, so daß sich der Gleichlaufring und die Gehäuseflansche 112 nicht gegen seitig stören. Der Flansch 98B des Lagerteils 98 ist nun im wesentlichen äquidistant von dem äußeren und dem inneren Ende des rohrförmigen Körpers 98A angeordnet. Die Durchmes ser der äußeren und inneren Nockenelemente 94, 96 sind ver größert worden, um den Bewegungsbogen des inneren Nocken elements 96 zu vergrößern und die Drehung kürzeren Bogens des Gleichlaufringes 78 und des Hebelarms 96 aufgrund der Verringerung des Radius und der Länge des Ringes bzw. des Arms in der zweiten Ausführungsform zu kompensieren. Ob gleich die Länge des Hebelarms 86 gekürzt worden ist, ist bei diesen Modifizierungen das mechanische Verstärkungsver hältnis erhalten geblieben. Die Konfigurationen der äußeren Nockenscheibe 94 und der Kontermutter 106 sind modifiziert worden, um bei dieser Ausführungsform mit niedrigeren Vor sprüngen ein niedrigeres Gesamtprofil der Positioniervor richtung 84 zu ermöglichen.

Ein herkömmlicher Rotorspaltbreitensensor (nicht darge stellt) kann benutzt werden, um die tatsächliche Spalt breite zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Mantelring zu erfassen und ein Signal an eine Steuereinrichtung abzu geben, die ihrerseits einen Stellantrieb betätigt, um den Gleichlaufring 78 zu drehen und die Spaltbreite auf die weiter oben beschriebene Weise zu ändern. Da der Spaltbrei tensensor und die diesem zugeordneten Bauteile keinen Teil der Erfindung bilden, ist eine ausführliche Erläuterung derselben nicht notwendig.

Claims

1. Vorrichtung zum Steuern der Spaltbreite zwischen Lauf schaufeln (76A) und einem Gehäusemantelring in einem Gasturbinentriebwerk (10), das einen Rotor (26) aufweist, der eine zentrale Achse (A) und einen Kranz von Laufschau feln (76) mit äußeren Spitzen (76A) hat, und ein sta tionäres Gehäuse (74) mit dem Mantelring, der konzentrisch zu dem Rotor (26) angeordnet ist, gekennzeichnet durch:

a) ein Mantelringsegment (80), das einen Umfangsteil des Gehäusemantelringes bildet und getrennt und mit radia lem Abstand einwärts von dem Gehäuse (74) angeordnet ist;
b) wenigstens eine Befestigungsvorrichtung (82) an dem stationären Gehäuse (74), die einen Durchlaß (88) zwi schen der äußeren und der inneren Seite des Gehäuses (74) bildet, wobei die Befestigungsvorrichtung (82) mit Abstand radial außerhalb von dem Mantelringsegment (80) angeordnet ist;
c) eine Mantelringsegmentpositioniervorrichtung (84), die durch die Befestigungsvorrichtung (82) an dem statio nären Gehäuse (74) gehaltert ist, mit dem Mantelringse gment (80) verbunden und betätigbar ist, um das Mantel ringsegment (80) zu den Laufschaufelspitzen (76A) hin- und von denselben wegzubewegen, damit es eine Position relativ zu diesen erreicht, in welcher eine gewünschte Spaltbreite zwischen dem Mantelringsegment (80) und den Laufschaufelspitzen (76A) vorhanden ist; und
d) ein drehbares Betätigungsteil (86) zum Betätigen der Positioniervorrichtung (84);
e) wobei die Positioniervorrichtung (84) aufweist:
- i) ein Tragteil (90), das in dem Durchlaß (88), der durch die Befestigungsvorrichtung (82) gebildet ist, gehaltert ist, so daß es relativ zu der Be festigungsvorrichtung (82) und zu der Rotorachse (A) hin und von derselben weg radial bewegbar ist, wobei das Tragteil (90) eine Längsachse (R) und ein inneres sowie ein dazu entgegengesetztes äußeres Ende (90A, 90B) hat und wobei das Man telringsegment (80) mit dem inneren Ende (90A) des Tragteils (90) auf der inneren Seite des Ge häuses (74) verbunden ist,
- ii) ein erstes Nockenelement (94), das an dem äuße ren Ende (90B) des Tragteils (90) befestigt und auf der äußeren Seite des Gehäuses (74) und mit Abstand außerhalb von der Befestigungsvorrich tung (82) angeordnet ist, und
- iii) ein zweites Nockenelement (96), das an einem in neren Ende (86A) des an der Befestigungsvorrich tung (82) befestigten Betätigungsteils (86) be festigt ist, zur Drehbewegung relativ zu dieser und um die Längsachse (R) des Tragteils (90) bei Drehung des Betätigungsteils (86), wobei das zweite Nockenelement (96) auf der äußeren Seite des Gehäuses (74) zwischen der Befestigungsvor richtung (82) und dem ersten Nockenelement (94) angeordnet und mit dem ersten Nockenelement (94) in Berührung ist, so daß die Drehung des zweiten Nockenelements (96) bei Drehung des Betätigungs teils (86) eine Radialbewegung des ersten Noc kenelements (94) und des Tragteils (90) und da mit des Mantelringsegments (80) zu den Lauf schaufelspitzen (76A) hin und von denselben weg erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung ein zylindrischer Vorsprung (82) ist, der an dem Gehäuse (74) gebildet ist, den Durch laß (88) bildet und von der äußeren Seite des Gehäuses (74) vorsteht, und daß das Tragteil ein zylindrischer Schaft (90) ist, der sich durch den Durchlaß (88) des Vorsprunges (82) er streckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (84) außerdem einen Mantel ringhalter (92) aufweist, der mit dem inneren Ende (90A) des Tragteils (90) verbunden ist und gegenseitigen axialen Abstand aufweisende und sich in Umfangsrichtung erstreck kende Nuten (104) zum verschiebbaren Aufnehmen und Halten des Mantelringsegments (80) an gegenseitigen Abstand auf weisenden Längsrandteilen desselben aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet durch:
ein Lagerteil (98), das an der Befestigungsvorrichtung (82) angebracht ist und sich durch den Durchlaß (88) derselben erstreckt, wobei das Lagerteil (98) einen rohrförmigen Kör per (98A) aufweist, der eine innere Lagerfläche bildet, mit welcher das Tragteil (90) in Gleitberührung ist, und einen Umfangsflansch (98B), der an dem rohrförmigen Körper (98A) befestigt ist und sich von diesem aus zwischen dem äußeren und dem entgegengesetzten inneren Ende desselben nach außen erstreckt, wobei der Flansch (98B) auf einem äußeren Ende (82A) der Befestigungsvorrichtung (82) sitzt, so daß das äußere Ende des Körpers (98A) von der Befestigungsvorrich tung (82) vorsteht und der Flansch (98B) und das äußere Körperende (98C) auf der äußeren Seite des Gehäuses (74) freiliegen und äußere Lagerflächen bilden, die mit dem in neren Ende (86A) des Betätigungsteils (86) in Berührung sind und dieses drehbar abstützen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (98B) des Lagerteils (98) an dem rohrförmi gen Körper (98A) desselben wesentlich näher bei dem äußeren Ende als bei dem inneren Ende des Körpers (98A) befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Flansch (98B) des Lagerteils (98) an dem rohrförmigen Körper (98A) desselben im wesentlichen äquidi stant von dem äußeren und dem inneren Ende des Körpers (98A) befestigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (84) außer dem ein Federteil (108) aufweist, das an der Befestigungs vorrichtung (82) befestigt und mit dem äußeren Ende (90B) des Tragteils (90) in Eingriff ist, so daß es das erste Nockenelement (94) in Richtung zu dem zweiten Nockenelement (96) vorspannt, um die Berührung zwischen denselben auf rechtzuerhalten.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (84) außer dem ein Verriegelungselement (106) aufweist, das an dem äu ßeren Ende des Tragteils (90) lösbar befestigt ist, um das erste Nockenelement (94) an dem äußeren Tragteilende lösbar befestigt zu halten.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Nockenelement (94) die Form einer ringförmigen Scheibe hat, die an dem äußeren Trag teilende lösbar befestigt ist und eine schraubenförmige Nockenfläche (94A) hat, welche auf einer inneren Seite der Scheibe gebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Nockenelement (96) eine schraubenförmige Nockenfläche (96A) ist, die auf einer äußeren Seite des in neren Endes des Betätigungsteils (86) gebildet ist und mit der Nockenfläche (94A) an der Scheibe zusammenpaßt.

11. Vorrichtung zum Steuern der Spaltbreite zwischen Lauf schaufelspitzen (76A) und einem Gehäusemantelring in einem Gasturbinentriebwerk (10), das einen Rotor (26) aufweist, der eine zentrale Achse (A) und einen Kranz von Laufschau feln (76) mit äußeren Spitzen (76A) hat, und ein sta tionäres Gehäuse (74) mit dem Mantelring, der konzentrisch zu dem Rotor (26) angeordnet ist, gekennzeichnet durch:

a) ein Mantelringsegment (80), das einen Umfangsteil des Gehäusemantelringes bildet und getrennt und in radialem Abstand einwärts von dem Gehäuse (74) angeordnet ist;
b) zwei gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende Befesti gungsvorrichtungen (82) an dem stationären Gehäuse (74), welche Durchlässe (88) zwischen der äußeren und der inneren Seite des Gehäuses (74) bilden, wobei die Befestigungsvorrichtungen (82) in radialem Abstand au ßerhalb von dem Mantelringsegment (80) angeordnet sind;
c) eine Mantelringsegmentpositioniervorrichtung (84), die durch die Befestigungsvorrichtungen (82) an dem statio nären Gehäuse (74) abgestützt, mit dem Mantelringseg ment (80) gekuppelt und betätigbar ist, um das Mantel ringsegment (80) zu den Laufschaufelspitzen (76A) hin- und von denselben wegzubewegen, damit es eine Position relativ zu ihnen erreicht, in welcher eine gewünschte Spaltbreite zwischen dem Mantelringsegment (80) und den Laufschaufelspitzen (76A) vorhanden ist; und
d) zwei Betätigungsteile (86), die jeweils drehbar sind, zum Betätigen der Positioniervorrichtung (84);
e) wobei jede Positioniervorrichtung (84) aufweist
- i) zwei gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende Tragteile (90), die jeweils durch einen der Durchlässe (88), welche durch die beiden Befe stigungsvorrichtungen (82) gebildet sind, gehal tert sind, so daß sie relativ zu den Befesti gungsvorrichtungen (82) und zu der Rotorachse (A) hin und von derselben weg radial beweglich sind, wobei die Tragteile (90) jeweils eine Längsachse (R) und ein inneres und sowie ein dazu entgegengesetztes äußeres Ende (90A, 90B) haben,
- ii) einen Mantelringhalter (92), der sich zwischen den inneren Enden der Tragteile (90) erstreckt und an seinen entgegengesetzten Enden mit diesen inneren Enden drehbar verbunden ist, wobei der Mantelringhalter (92) das Mantelringsegment (80) auf der inneren Seite des Gehäuses (74) lösbar hält,
- iii) ein Paar erste Nockenelemente (94), die jeweils an den äußeren Enden der Tragteile (90) befe stigt und auf der äußeren Seite des Gehäuses (74) und mit Abstand außerhalb von den Befesti gungsvorrichtungen (82) angeordnet sind, und
- iv) ein Paar zweite Nockenelemente (96), die an den inneren Enden der an den Befestigungsvorrichtun gen (82) befestigten Betätigungsteile (86) befe stigt sind, zur Drehbewegung relativ zu densel ben und um die Längsachsen (R) der Tragteile (90) bei Drehung der Betätigungsteile (86), wo bei die zweiten Nockenelemente (96) auf der äu ßeren Seite des Gehäuses (74) zwischen den ge genseitigen Abstand aufweisenden Befestigungs vorrichtungen (82) und den ersten Nockenelemen ten (94) angeordnet und mit den ersten Nocken elementen (94) in Berührung sind, so daß die Drehung der zweiten Nockenelemente (96) bei Dre hung der Betätigungsteile (86) eine Radialbewe gung der ersten Nockenelemente (94) und der Tragteile (90) und damit des Mantelringsegments (80) zu den Laufschaufelspitzen (76A) hin und von denselben weg bewirkt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelringhalter (92) zwei gegenseitigen axialen Abstand aufweisende und sich in Umfangsrichtung erstrec kende Nuten (104) aufweist, welche einander zugewandt sind, zum verschiebbaren Aufnehmen und Halten des Mantelringseg ments (80) an gegenseitigen Abstand aufweisenden Längsrand teilen desselben.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Positioniervorrichtung (84) außerdem ein Paar langgestreckte Zapfen (100) aufweist, die jeweils ei nes der entgegengesetzten Enden des Mantelringhalters (92) mit einem der Tragteile (90) verbinden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Befestigungsvorrichtung (82) ein zylindrischer Vorsprung ist, der an dem Gehäuse (74) gebildet ist, den Durchlaß (88) bildet und von der äußeren Seite des Gehäuses (74) vorsteht; und
daß jedes Tragteil (90) ein zylindrischer Schaft ist, der sich durch den Durchlaß (88) des zugeordneten Vorsprunges (82) erstreckt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekenn zeichnet durch:
ein Paar Lagerteile (98), von denen jedes an einer der Be festigungsvorrichtungen (82) angebracht ist und sich durch den Durchlaß (88) derselben erstreckt, wobei jedes Lager teil (98) einen rohrförmigen Körper (98A) aufweist, der eine innere Lagerfläche bildet, mit welcher eines der Trag teile (90) in Gleitberührung ist, und einen Umfangsflansch (98B), der an dem rohrförmigen Körper (98A) zwischen dem äußeren und dem dazu entgegengesetzten inneren Ende dessel ben befestigt ist und sich von diesem aus nach außen er streckt, wobei der Flansch (98B) auf einem äußeren Ende (82A) der einen Befestigungsvorrichtung (82) sitzt, so daß das äußere Ende des Körpers (98A) von der einen Befestigungsvorrichtung (82) vorsteht und der Flansch (98B) und das äußere Körperende auf der äußeren Seite des Gehäu ses (74) freiliegen und äußere Lagerflächen bilden, die mit dem inneren Ende (86A) des zugeordneten Betätigungsteils (86) in Berührung sind und dieses drehbar abstützen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (98B) jedes Lagerteils (98) an dem rohrför migen Körper (98A) desselben wesentlich näher bei dem äuße ren Ende als bei dem inneren Ende des Körpers (98A) befe stigt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (98B) jedes Lagerteils (98) an dem rohrför migen Körper (98A) desselben im wesentlichen äquidistant von dem äußeren und dem inneren Ende des Körpers (98A) be festigt ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (84) außer dem ein Paar Federteile (108) aufweist, die jeweils an ei ner der Befestigungsvorrichtungen (82) befestigt und mit den äußeren Enden der zugeordneten Tragteile (90) in Ein griff sind, so daß sie die ersten Nockenelemente (94) in Richtung zu den zweiten Nockenelementen (96) vorspannen, um deren gegenseitige Berührung aufrechtzuerhalten.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (84) außer dem ein Paar Verriegelungselemente (106) aufweist, die je weils an den äußeren Enden der zugeordneten Tragteile (90) lösbar befestigt sind, um die ersten Nockenelemente (94) an den äußeren Tragteilenden (90B) lösbar befestigt zu halten.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß jedes erste Nockenelement (94) die Form einer ringförmigen Scheibe, die auf dem äußeren Trag teilende (90B) lösbar befestigt ist, und eine schraubenför mige Nockenfläche (94A) hat, die auf einer inneren Seite der Scheibe gebildet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zweite Nockenelement (96) eine schraubenförmige Nockenfläche (96A) ist, die auf einer äußeren Seite des in neren Endes (86A) des zugeordneten Betätigungsteils (86) gebildet ist und mit der Nockenfläche (94A) an der Scheibe zusammenpaßt.