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Die
Erfindung betrifft eine Strömungsarbeitsmaschine mit Laufspalteinzug
gemäß Anspruch 1.
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Die
aerodynamische Belastbarkeit und die Effizienz von Strömungsarbeitsmaschinen,
beispielsweise Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren,
wird insbesondere durch das Wachstum und die Ablösung von
Grenzschichten im Rotor- und Statorspitzenbereich nahe der Gehäuse-
beziehungsweise Nabenwand begrenzt. Dies führt bei Schaufelreihen mit
Laufspalt bei höherer Belastung zu Rückströmerscheinungen
und dem Auftreten von Instabilität der Maschine.
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Strömungsarbeitsmaschinen
nach dem Stand der Technik besitzen entweder keine besonderen Merkmale
zur Abhilfe in diesem Bereich oder es werden als Gegenmaßnahme
sogenannte Casing Treatments eingesetzt, die
- a.)
aus Schlitzen/Öffnungen und Kammern im Gehäuse über
dem Rotor bestehen
- b.) aus Schlitzen im Gehäuse, die im Wesentlichen in
Strömungsrichtung orientiert sind und eine schlanke Form
mit einer in Umfangsrichtung der Maschine betrachtet geringen Ausdehnung besitzen
- c.) Umfangsnuten unterschiedlicher Querschnittsformen
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Dazu
gehören bekannte Lösungen, die in folgenden Dokumenten
offenbart sind:
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Eine
Skizze üblicher Schlitze und Nuten 10 ist in den 1a und 1b gegeben.
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Einfache
aus dem Stand der Technik bekannte Konzepte von Casing Treatments
in Form von Schlitzen und/oder Kammern in der Ringkanalwand bieten
eine Steigerung der Stabilitat der Strömungsarbeitsmaschine.
Die Stabilitätssteigerung wird jedoch aufgrund der ungünstig
gewählten Anordnung oder Formgebung nur bei Verlust an
Wirkungsgrad erzielt. Die bekannten Lösungen nehmen teils
einen großen Bauraum an der Peripherie des Ringkanals der
Strömungsarbeitsmaschine ein, sind aufgrund ihrer Form
nur bedingt wirksam und/oder sind auf die Anordnung einer von einem
Gehäuse umgebenen Rotorschaufelreihe begrenzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsarbeitsmaschine
der eingangs genannten Art zu schaffen, welche unter Vermeidung
der Nachteile des Standes der Technik eine sehr wirkungsvolle Grenzschichtbeeinflussung
im Schaufelspitzenbereich aufweist.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst,
die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Im
Einzelnen betrifft die Erfindung somit eine Schaufelreihe einer
Strömungsarbeitsmaschine mit freiem Schaufelende und Laufspalt,
wobei wenigstens ein Teil des Laufspaltes um einen endlichen Betrag
von der Hauptströmungspfadberandung in den Hauptströmungspfad
eingezogen ist, wobei der Laufspalt an den eingezogenen Positionen
nicht mehr durch die Hauptströmungspfadberandung, sondern durch
einen von der Hauptströmung durchströmten und
mit der Hauptströmungspfadberandung verbundenen Randleitapparat,
bestehend aus einer Reihe von geraden oder gewölbten Profilen,
begrenzt wird. Der erfindungsgemäße Laufspalteinzug
betrifft Anordnungen mit Laufspalt und Relativbewegung zwischen
dem Schaufelende und Hauptströmungspfadberandung, sowohl
am Gehäuse als auch an der Nabe der Strömungsarbeitsmaschine.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf Strömungsarbeitsmaschinen
wie etwa Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren, sowohl
in axialer, halbaxialer als auch in radialer Bauart. Das Arbeitsmedium
oder Fluid kann gasförmig oder flüssig sein.
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Die
Strömungsarbeitsmaschine kann eine oder mehrere Stufen
mit jeweils einem Rotor und einem Stator umfassen, in Einzelfällen
wird die Stufe lediglich durch einen Rotor gebildet.
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Der
Rotor besteht aus einer Anzahl von Schaufeln, die mit der rotierenden
Welle der Maschine verbunden sind und Energie an das Arbeitsmedium
abgeben. Der Rotor kann mit oder ohne Deckband am äußeren
Schaufelende ausgeführt sein.
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Der
Stator besteht aus einer Anzahl feststehender Schaufeln, die nabenseitig
wie gehäuseseitig mit festem oder freiem Schaufelende ausgeführt
sein können.
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Die
Rotortrommel und die Beschaufelung sind üblicherweise von
einem Gehäuse umgeben, in anderen Fällen, z. B.
bei Propellern oder Schiffsschrauben, existiert kein Gehäuse.
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Die
Maschine kann auch einen Stator vor dem ersten Rotor, ein sogenanntes
Vorleitrad, aufweisen. Mindestens ein Stator oder Vorleitrad kann -abweichend
von der unbeweglichen Fixierung- drehbar gelagert sein, um den Anstellwinkel
zu verändern. Eine Verstellung erfolgt beispielsweise durch eine
von außerhalb des Ringkanals zugängliche Spindel.
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In
besonderer Ausgestaltung kann die Strömungsarbeitsmaschine
mindestens eine Reihe verstellbarer Rotoren aufweisen.
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Alternativ
kann die erfindungsgemäße Stromungsarbeitsmaschine
bei Mehrstufigkeit zwei gegenläufige Wellen besitzen, so
dass die Rotorschaufelreihen von Stufe zu Stufe die Drehrichtung
wechseln. Hierbei existieren keine Statoren zwischen aufeinander
folgenden Rotoren.
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Schließlich
kann die Strömungsarbeitsmaschine alternativ eine Nebenstromkonfiguration
derart aufweisen, dass sich der einstromige Ringkanal hinter einer
bestimmten Schaufelreihe in zwei konzentrische Ringkanäle
aufteilt, die ihrerseits mindestens jeweils eine weitere Schaufelreihe
beherbergen.
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2 zeigt
Beispiele erfindungsgemäß relevanter Strömungsarbeitsmaschinen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
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1a eine
Skizze des Standes der Technik, Rotorgehäusestrukturierung,
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1b eine
Skizze des Standes der Technik, Rotorgehäuse, Umfangsnuten,
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2 Beispiele
erfindungsgemäß relevanter Strömungsarbeitsmaschinen,
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3 eine
Laufspaltanordnung nach dem Stand der Technik im Meridianschnitt,
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4a ein
Beispiel einer erfindungsgemäßen Laufspaltanordnung
im Meridianschnitt,
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4b eine
Definition von Kenngrößen der erfindungsgemäßen
Anordnung,
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5a erfindungsgemäße
Laufspaltanordnungen,
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5b erfindungsgemäße
Anordnungen des Randleitapparats, Ansicht Z-Z aus 5a,
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6 erfindungsgemäße
Laufspaltanordnungen,
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7a erfindungsgemäße
Laufspaltanordnungen,
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7b erfindungsgemäße
Anordnungen des Randleitapparats, Ansicht Z-Z aus 7a,
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7c erfindungsgemäße
Anordnungen des Randleitapparats, Ansicht Z-Z aus 7a,
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8 eine
erfindungsgemäße Laufspaltanordnung,
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9 eine
erfindungsgemäße Laufspaltanordnung,
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10 eine
erfindungsgemäße Laufspaltanordnungen im Meridianschnitt,
Definition der Laufspaltneigung,
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11 erfindungsgemäße
Laufspaltanordnungen mit Anstreifbelag und Absatz an der Schaufelspitze,
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12 eine
erfindungsgemäße Laufspaltanordnungen mit Anstreifbelag
und Absatz am Randleitapparat.
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Die 3 zeigt
eine Spaltanordnung nach dem Stand der Technik in der durch die
Axialrichtung x und die Radialrichtung r gebildeten Meridianebene im
Bereich des Schaufelendes einer Schaufelreihe 5 einer Strömungsarbeitsmaschine.
Der Laufspalt 11 an der Spitze des freien Schaufelendes
liegt direkt am Rand des Hauptströmungspfades 2,
der durch eine Naben- oder Gehäusebaugruppe 6 gebildet wird.
Infolge dessen wird beim Stand der Technik der Spalt 11 von
der inneren oder äußeren Ringkanalkontur (Nabe
oder Gehäuse 6) der Strömungsarbeitsmaschine
auf der einen Seite und durch die Spitze einer Rotor- oder Statorschaufel
auf der anderen Seite gebildet.
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Zwischen
der Schaufelspitze und dem die Hauptströmungspfadberandung
(Ringkanalkontur 2) bildenden Bauteilgruppe liegt eine
rotierende Relativbewegung vor. Diese Darstellung, und auch jede
weitere zur vorliegenden Erfindung, gilt somit gleichermaßen
für folgende mögliche Anordnungen:
- 1.) rotierende Schaufel (Rotor) an stehendem Gehäuse
- 2.) ruhende Schaufel (Stator) an rotierender Nabe
- 3.) ruhende Schaufel (Stator) an rotierendem Gehäuse
- 4.) rotierende Schaufel (Rotor) an stehender Nabe
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Die
Hauptströmungsrichtung ist mit einem dicken Pfeil dargestellt.
Stromauf der Schaufelreihe 5 mit Laufspalt kann sich, wie
hier gestrichelt angedeutet ist, mindestens eine weitere Schaufelreihe 5 befinden.
Auch stromab kann sich (wie hier nicht mit skizziert) mindestens
eine weitere Schaufelreihe befinden. Durch drei dünne lange
Pfeile ist die Meridianströmung in der Nähe der
Hauptströmungspfadberandung dargestellt. Sie verläuft
durch die Schaufelreihe 5 im Wesentlichen parallel zur Schaufelspitze und
parallel zum Laufspalt. Der Laufspalt 11 ist in einer Anordnung
nach dem Stand der Technik durch vier Eckpunkte markiert:
- 1.) den Vorderkantenpunkt V an der Schaufelspitze,
- 2.) den Hinterkantenpunkt H an der Schaufelspitze,
- 3.) den vorderen Spaltrandpunkt M, der dem Vorderkantenpunkt
V gegenüber angeordnet ist,
- 4.) den hinteren Spaltrandpunkt N, der dem Hinterkantenpunkt
H gegenüber angeordnet ist.
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Zwischen
den Punkten V und H sowie zwischen den Punkten M und N kann nach
dem Stand der Technik ein gerader oder gekrümmter Linienverlauf
vorgesehen sein.
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Die 4 zeigt in gleicher Darstellung ein Beispiel
einer erfindungsgemäßen Spaltanordnung in der
durch die Axialrichtung x und die Radialrichtung r gebildeten Meridianebene
im Bereich des Schaufelendes einer Schaufelreihe einer Strömungsarbeitsmaschine.
Der Laufspalt 11 an der Spitze des freien Schaufelendes
liegt um einen endlichen Abstand vom der Hauptströmungspfadberandung
entfernt.
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Durch
unterschiedliche Abstände des Laufspaltes 11 von
der Hauptströmungspfadberandung an der Vorder- und Hinterkante
ist der Laufspalt gegenüber der Hauptströmungspfadberandung
und auch gegenüber der Meridianströmung geneigt.
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Durch
das erfindungsgemäße Einziehen des Laufspaltes 11 ins
Innere des Hauptströmungspfades und gegebenfalls das erfindungsgemäße
Neigen des Laufspaltes wird die Spaltleckageströmung reduziert
und insbesondere ein meridionales Rückströmen
im Bereich des Laufspaltes unterdrückt.
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In
der durch das Einziehen des Laufspaltes 11 in den Hauptströmungspfad
entstandene Lücke zwischen dem Laufspalt 11 und
der Hauptströmungspfadberandung ist ein Randleitapparat,
bestehend aus einer Reihe von geraden oder gewölbten Profilen vorgesehen.
Der Randleitapparat ist mit der die Hauptströmungspfadberandung
bildenden Bauteilgruppe fest verbunden.
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Die
Darstellung in 4 zeigt eine erfindungsgemäße
Variante mit Spalteinzug an Vorder- und Hinterkante und demzufolge
mit einem von der Vorder- bis zur Hinterkante reichenden Randleitapparat 10.
Hier ist die Laufspaltanordnung durch sechs Punkte markiert:
- 1.) den Vorderkantenpunkt V an der Schaufelspitze,
- 2.) den Hinterkantenpunkt H an der Schaufelspitze,
- 3.) den vorderen Spaltrandpunkt M, der dem Vorderkantenpunkt
V gegenüber angeordnet ist,
- 4.) den hinteren Spaltrandpunkt N, der dem Hinterkantenpunkt
H gegenüber angeordnet ist,
- 5.) den vorderen Konturpunkt P der Hauptströmungspfadberandung,
der den Randleitapparat nach stromauf begrenzt,
- 6.) den hinteren Konturpunkt S der Hauptströmungspfadberandung,
der den Randleitapparat 10 nach stromab begrenzt.
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Zwischen
den Punkten V und H sowie zwischen den Punkten M und N als auch
zwischen den Punkten P und S kann erfindungsgemäß ein
gerader (wie in 4 dargestellt) oder
gekrümmter/geknickter Linienverlauf vorgesehen sein.
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Die 4b zeigt
die Definition erfindungsgemäß relevanter Kenngrößen
der Laufspaltanordnung. Die Einzugtiefe des Laufspaltes 11 kann
erfindungsgemäß variieren. Die Definition der
Kenngrößen erfolgt mit Hilfe einer Referenzgeraden
durch die Punkte P und S der Hauptströmungspfadberandung, wenn
der Randleitapparat in Strömungsrichtung bis zur oder über
die Hinterkante der Schaufelreihe hinaus vorgesehen ist. Für
den Fall, dass der Randleitapparat 10 bereits stromauf
der Hinterkante der Schaufelreihe 5 endet und auf diese
Weise der Punkt N auf die Hauptströmungspfadberandung fällt,
ist die Referenzgerade durch die Punkte P und N definiert. Die Laufspalteinzugtiefe
an der Vorderkante tV ist definiert als der Abstand des vorderen
Spaltrandpunktes M von der Hauptströmungspfadberandung,
gemessen in der Richtung senkrecht zur Referenzlinie.
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Die
Laufspalteinzugtiefe an der Hinterkante tH ist definiert als der
Abstand des hinteren Spaltrandpunktes N von der Hauptströmungspfadberandung,
gemessen in der Richtung senkrecht zur Referenzlinie.
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Die
Länge der Schaufelspitze IVH ist definiert als der senkrechte
Abstand des Hinterkantenpunktes H von der durch den Vorderkantenpunkt
V verlaufenden Orthogonalen zur Referenzgeraden. Der Vorderkantenversatz
dVM ist definiert als der senkrechte Abstand des Spaltrandpunktes
M von der durch den Vorderkantenpunkt V verlaufenden Orthogonalen
zur Referenzgeraden.
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Der
Hinterkantenversatz dHN ist definiert als der senkrechte Abstand
des Spaltrandpunktes N von der durch den Hinterkantenpunkt H verlaufenden
Orthogonalen zur Referenzgeraden.
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Die
Stromauferstreckung des Randleitapparates v ist definiert als der
senkrechte Abstand des Konturpunktes P der Hauptströmungspfadberandung von
der durch den Vorderkantenpunkt V verlaufenden Orthogonalen zur
Referenzgeraden, und positiv wie eingezeichnet. Die Stromaberstreckung
des Randleitapparates w ist definiert als der senkrechte Abstand
des Konturpunktes S der Hauptströmungspfadberandung von
der durch den Vorderkantenpunkt V verlaufenden Orthogonalen zur
Referenzgeraden, und positiv wie eingezeichnet.
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Dabei
gelten erfindungsgemäß folgende Einschränkungen:
- 1.) tV < 0,3·IVH
- 2.) tH < 0,3·IVH
- 3.) –0,05·VH < dVM < 0,05·IVH
- 4.) –0,1·IVH < dHN < 0,1·IVH
- 5.) –0,05·IVH < v < IVH
- 6.) 0 < w < 1,1·IVH
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Die
Laufspalteinzugtiefe an einem beliebigen Punkt innerhalb des beschaufelten
Bereichs (zwischen Vorder- und Hinterkante) der Schaufelreihe 5 ist
definiert als der Abstand des jeweiligen Punktes von der Hauptströmungspfadberandung,
gemessen in der Richtung senkrecht zur Referenzlinie.
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Die 5a zeigt
zwei erfindungsgemäße Laufspaltanordnungen, bei
denen sich der Randleitapparat 10 entlang der gesamten
Schaufelspitze erstreckt. In der linken Bildhälfte (Meridianschnitt, x-r-Ebene)
ist oben eine Variante mit geradlinigem Verlauf der Hauptströmungspfadberandung
und unten eine Variante mit geschwungenem Verlauf der Hauptströmungspfadberandung
dargestellt. Bei beiden Varianten ist die Einzugtiefe des Laufspaltes
an der Vorderkante größer als an der Hinterkante
(tV > tH).
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Die
Ansicht Z-Z ist in beiden Varianten eingezeichnet.
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Auf
der rechten Bildseite ist die Konfiguration in der Ansicht Z-Z,
d. h. in der von der Meridianrichtung m und der Umfangsrichtung
u gebildeten Ebene, dargestellt. Die Schnittebene Z-Z verläuft
innerhalb des Hauptströmungspfades durch die dort befindlichen
Schaufeln 5, von denen im dargestellten Ausschnitt drei
eingezeichnet sind. Der Blick fällt dann weiter auf den
Randleitapparat 10, der hier aus einer Reihe von schlanken
geraden Profilen 12 besteht. Der Randleitapparat 10 ist
fest mit der Hauptströmungspfadberandung verbunden. Die
Schaufeln 5 der Schaufelreihe führen, wie durch
den in Umfangsrichtung u weisenden schlanken Pfeil angedeutet, eine
(rotierende) Relativbewegung gegenüber dem Randleitapparat 10 und
gegenüber der Hauptströmungspfadberandung aus.
Die Hauptströmung passiert die Anordnung von links nach
recht, siehe dicker Pfeil. Die Strömung durch zwei benachbarte
Passagen des Randleitapparats 10 ist durch je einen dünnen
Pfeil angedeutet. Die Profile und die Passagen des Randleitapparats 10 sind
in diesem Beispiel gerade ausgeführt. Die Verbindungslinie
der Vorderkantenpunkte V der Schaufeln ist mit VL und die Verbindungslinie
der Hinterkantenpunkte H der Schaufeln ist mit HL gekennzeichnet.
Zwischen VL und HL liegt der beschaufelte Bereich der Schaufelreihe 5,
der in dem hier dargestellten erfindungsgemäßen
Beispiel auch im Wesentlichen mit dem vom Randleitapparat 10 eingenommenen
Bereich übereinstimmt.
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Die 5b zeigt
zwei weitere erfindungsgemäß mögliche
Anordnungen des Randleitapparats 10 in der aus 5a bekannten
Ansicht Z-Z. Auf der linken Bildseite besteht der Randleitapparat 10 aus einer
Reihe gewölbter Profile 12 konstanter Dicke. Die
Passage zwischen zwei Profilen 12 des Randleitapparats 10 ist
deutlich gekrümmt, derart, dass die Umfangskomponente der
Strömung beim Passieren des Randleitapparats 10 in
Richtung der Relativbewegung der Schaufelreihe 5 zunimmt.
Der Staffelungswinkel λR der Profile
des Randleitapparates 10 und der Staffelungswinkel λS der Profile der Schaufelreihe 5 besitzen
in diesem Fall entgegengesetztes Vorzeichen. Der Staffelungswinkel
wird zwischen der Meridianrichtung m und der Sehnenlinie des jeweiligen
Profils 12 gemessen. Der Staffelungswinkel λR der Profile des Randleitapparates 10 besitzt
in der eingezeichneten Richtung negatives Vorzeichen. Der Staffelungswinkel λS der Profile der Schaufelreihe 5 besitzt
in der eingezeichneten Richtung positives Vorzeichen. Für
den Fall, dass die Profile keine Wölbung und eine nicht-konstante
Dicke besitzen, wird anstelle der Profilsehne die Längssymmetrielinie
des Profils zur Bestimmung des Staffelungswinkels verwendet.
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Eine
ganz ähnliche Konfiguration zeigt die rechte Bildhälfte.
Dort ist ein Randleitapparat mit gewölbten und tropfenförmig
gestalteten Profilen vorgesehen.
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Die 6 zeigt
zwei erfindungsgemäße Laufspaltanordnungen, bei
denen sich der Randleitapparat 10 entlang der gesamten
Schaufelspitze erstreckt, wobei die Einzugtiefe des Laufspaltes 11 allerdings
bis zur Hinterkante der Schaufelreihe 5 auf Null absinkt
(tV > tH = 0). Der
hintere Spaltrandpunkt N des Randleitapparats fällt hier
mit dem hinteren Konturpunkt S der Hauptströmungspfadberandung zusammen.
Dadurch erhält der Randleitapparat 10 im Meridianschnitt
eine erfindungsgemäß günstige keilartige
Form.
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Die
rechte Bildseite zeigt die Ansicht Z-Z in der von der Meridianrichtung
m und der Umfangsrichtung u gebildeten Ebene. Die Profile 12 und
die Passagen 13 des Randleitapparats 10 sind hier
wieder gerade ausgeführt und der vom Randleitapparat 10 eingenommene
Bereich stimmt im Wesentlichen mit dem beschaufelten Bereich der
Schaufelreihe 5 (zwischen VL und HL) überein.
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Der
Staffelungswinkel λR der Profile
des Randleitapparates und der Staffelungswinkel λS der Profile der Schaufelreihe besitzen
in diesem Fall gleiches Vorzeichen.
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Erfindungsgemäß sind
Werte des Staffelungswinkels der Randleitapparatprofile im Bereich zwischen –70° und
70° möglich (–70° < λR < 70°),
besonders günstig ist es jedoch, Werte aus dem Bereich –40° < λR < 30° vorzusehen.
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Die 7a zeigt
zwei erfindungsgemäße Laufspaltanordnungen, bei
denen sich der Randleitapparat 10 über den vorderen
Teil der Schaufelspitze erstreckt. Der hintere Spaltrandpunkt N
liegt nun auf der Hauptströmungspfadberandung und der Konturpunkt
S liegt innerhalb des beschaufelten Bereiches der Schaufelreihe 5.
Die Einzugtiefe des Laufspaltes 11 nimmt bis zum Punkt
S auf Null ab. Die Spalteinzugtiefe ist somit im Bereich zwischen
dem Konturpunkt S und dem hinteren Spaltrandpunkt N durchgehend
null. Auch hier besitzt der Randleitapparat 10 im Meridianschnitt
eine erfindungsgemäß günstige keilartige
Form.
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Die
linke Bildseite zeigt oben eine erfindungsgemäße
Anordnung, bei der die Hauptströmungspfadberandung annähernd
geradlinig verläuft und in der Schaufelspitze aufgrund
der keilartigen Form des Randleitapparats 10 in der Nähe
des Konturpunktes S ein Knickpunkt K vorgesehen ist. Auch der Laufspalt
verläuft entsprechend mit Knick.
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Der
linke untere Bildteil zeigt eine erfindungsgemäße
Anordnung, bei der die Hauptströmungspfadberandung derart
geschwungen verläuft, dass trotz der keilartigen Form des
Randleitapparats 10 ein knickfreier Verlauf der Schaufelspitze
und des Laufspaltes 11 vorgesehen werden kann.
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Die
rechte Bildseite zeigt die Ansicht Z-Z in der von der Meridianrichtung
m und der Umfangsrichtung u gebildeten Ebene. Die Profile und die
Passagen des Randleitapparats 10 sind hier gekrümmt ausgeführt
und der vom Randleitapparat 10 eingenommene Bereich nimmt
an der Vorderkantenlinie VL beginnend nur einen Teil des beschaufelten
Bereichs der Schaufelreihe 5 ein. Der Staffelungswinkel λR der Profile des Randleitapparates 10 und
der Staffelungswinkel λS der Profile
der Schaufelreihe 5 besitzen hier entgegengesetztes Vorzeichen.
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Die 7b zeigt
zwei weitere erfindungsgemäß mögliche
Anordnungen des Randleitapparats 10 in der aus 7a bekannten
Ansicht Z-Z. Auf der linken Bildseite besteht der Randleitapparat 10 aus einer
Reihe ungewölbter Profile konstanter Dicke. Auf der rechten
Bildseite besteht der Randleitapparat 10 aus einer Reihe
gewölbter Profile konstanter Dicke. Die Passage zwischen
zwei Profilen des Randleitapparats 10 ist derart gekrümmt,
dass die Umfangskomponente der Strömung beim Passieren
des Randleitapparats 10 entgegen der Richtung der Relativbewegung
der Schaufelreihe 5 zunimmt.
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Die 7c zeigt
zwei weitere erfindungsgemäß mögliche
Anordnungen des Randleitapparats 10 in der aus 7a bekannten
Ansicht Z-Z. Auf der linken Bildseite besteht der Randleitapparat
aus einer Reihe ungewölbter keilartiger Profile mit maximaler
Dicke an ihrer Hinterkante. Die Verdrängungswirkung nimmt
hier in Strömungsrichtung kontinuierlich zu. Auf der rechten
Bildseite besteht der Randleitapparat 10 aus einer Reihe
ungewölbter dicker Profile mit maximaler Verdrängungswirkung
in ihrem mittleren Teil. In beiden Bildhälften ist für
ein Profil des Randleitapparates 10 die Längssymmetrieachse
eingezeichnet, die bei dieser Art von Profilen zur Bestimmung des
Staffelungswinkels zu verwenden ist.
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Die 8 zeigt
eine erfindungsgemäß günstige Laufspaltanordnung,
bei der sich der Randleitapparat 10 im Meridianschnitt
(x-r-Ebene) nur entlang des vorderen Drittels der Schaufelspitze
erstreckt, gemäß folgender Maßgabe: w < 0,33 IVH. Die rechte Bildseite
zeigt die Ansicht Z-Z in der von der Meridianrichtung m und der
Umfangsrichtung u gebildeten Ebene. Die Profile und die Passagen
des Randleitapparats 10 sind hier kurz und gerade ausgeführt.
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Die 9 zeigt
eine weitere erfindungsgemäß günstige
Laufspaltanordnung. Wie in der linken Bildhälfte im Meridianschnitt
(x-r-Ebene) dargestellt ist, verläuft der Laufspalt parallel
zur Maschinenachse.
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Der
vordere Konturpunkt P der Hauptströmungspfadberandung ist
zudem deutlich stromauf des vorderen Spaltrandpunkt M vorgesehen,
sodass sich eine deutliche Stromauferstreckung des Randleitapparates 10 v
von etwa 0,4·IVH ergibt. Auf diese Weise verläuft
die Vorderkante der Randleitapparatprofile nicht mehr, wie in vorangehend
dargestellten erfindungsgemäßen Lösungen,
im Wesentlichen orthogonal zum Laufspalt oder zur Hauptströmungspfadberandung,
sondern (entsprechend einer aerodynamischen Pfeilung) schräg
zum Laufspalt und schräg zur Hauptströmungspfadberandung.
Die rechte Bildseite zeigt die Ansicht Z-Z in bekannter Weise. Die
Profile und die Passagen des Randleitapparats 10 sind hier
gekrümmt ausgeführt. Der Randleitapparat 10 nimmt
aufgrund der vorgesehenen Pfeilung einen Bereich stromauf der Vorderkantenlinie
VL und einen Teil des beschaufelten Bereichs der Schaufelreihe 5 ein.
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Die 10 zeigt
weitere erfindungsgemäß günstige Laufspaltanordnungen
mit einem geringen Spaltneigungswinkel. Der Spaltneigungswinkel α wird
zwischen der Längsachse der Strömungsarbeitsmaschine
und einer Geraden durch die Punkte V und H gemessen, wenn die Schaufelspitze
keinen Knick aufweist, siehe linke Bildhälfte. Der Spaltneigungswinkel α wird
zwischen der Längsachse der Strömungsarbeitsmaschine
und einer Geraden durch die Punkte V und K gemessen, wenn die Schaufelspitze
einen Knickpunkt K aufweist, siehe rechte Bildhälfte. α ist
positiv wie eingezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist
es besonders günstig, wenn der Spaltneigungswinkel einen
Betrag von kleiner 8° aufweist (–8° < α < 8°).
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In 11 ist
eine erfindungsgemäße Spaltanordnung mit einem
im vorderen Bereich der Schaufelreihe 5 angeordneten Randleitapparat 10 und
einem sich in Strömungsrichtung anschließenden
Anstreifbelag 14 dargestellt, der im hinteren Teil des
beschaufelten Bereichs der Schaufelreihe 5 vorgesehen ist.
Bei einer solchen Anordnung kann es erfindungsgemäß günstig
sein, die Schaufelspitze mit einem Absatz zu versehen, dahin gehend,
dass der Laufspalt im Bereich des Randleitapparats 10 größer ist,
als im Bereich des Anstreifbelages 14.
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In 12 ist
ebenfalls eine erfindungsgemäße Spaltanordnung
mit einem im vorderen Bereich der Schaufelreihe angeordneten Randleitapparat 10 und
einem sich in Strömungsrichtung anschließenden
Anstreifbelag 14 dargestellt, der im hinteren Teil des
beschaufelten Bereichs der Schaufelreihe 5 vorgesehen ist.
Bei einer solchen Anordnung kann es alternativ zu einem Absatz in
der Schaufelspitze erfindungsgemäß günstig
sein, den Randleitapparat 10 im Vergleich zum Anstreifbelag 14 etwas zurückzunehmen,
dahin gehend, dass der Laufspalt 11 im Bereich des Randleitapparats 10 größer
ist, als im Bereich des Anstreifbelages 14.
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Die
Erfindung kann auch wie folgt beschrieben werden:
Strömungsarbeitsmaschine
mit einem von einer Nabe und einem Gehäuse berandeten Hauptströmungspfad,
in welchem mindestens eine Reihe von Schaufeln angeordnet ist, an
welcher ein Schaufelende mit Spalt vorgesehen ist, wobei das Schaufelende
und die Hauptströmungspfadberandung in der Nähe
des besagten Schaufelendes eine rotierende Relativbewegung zueinander
ausführen, wobei wenigstens ein Teil des Laufspaltes um
einen endlichen Betrag von der Hauptströmungspfadberandung
in den Hauptströmungspfad eingezogen ist und der Laufspalt
an den eingezogenen Positionen nicht mehr durch die Hauptströmungspfadberandung selbst,
sondern durch einen von der Hauptströmung durchströmten
und mit der Hauptströmungspfadberandung fest verbundenen
Randleitapparat, bestehend aus einer Reihe von Profilen, begrenzt
wird,
wobei bevorzugt bei Betrachtung im Meridianschnitt die
Konfiguration des Randleitapparates und des Laufspaltes bezüglich
sechs wichtiger Kenngrößen weiteren Einschränkungen
unterworfen ist, wobei:
- 1.) IHV die Länge
zwischen Vorder- und Hinterkante an der Schaufelspitze ist
- 2.) für die Laufspalteinzugtiefe an der Vorderkante tV
gilt: tV < 0,3·IVH
- 3.) für die Laufspalteinzugtiefe an der Hinterkante tH
gilt: tH < 0,3·IVH
- 4.) für den Vorderkantenversatz dVM gilt: –0,05·IVH < dVM < 0,05·IVH
- 5.) für den Hinterkantenversatz dHN gilt: –0,1·IVH < dHN < 0,1·IVH
- 6.) für die Stromaufwärtserstreckung des Randleitapparates
v gilt: –0,05·IVH < v < IVH
- 7.) für die Stromabwärtserstreckung des Randleitapparates
w gilt: 0 < w < 1,1·IVH
wobei
bevorzugt die Laufspalteinzugtiefe, an der Vorderkante tV größer
ist als die Laufspalteinzugtiefe an der Hinterkante tH, so dass
der Laufspalt wenigstens in einen Teilabschnitt gegenüber
der Hauptströmungspfadberandung und auch gegenüber
der Meridianströmung geneigt ist und auf diese Weise die
Spaltleckageströmung reduziert wird,
wobei bevorzugt
die Laufspalteinzugtiefe bis zur Hinterkante der Schaufelreihe kontinuierlich
auf Null absinkt und auf diese Weise der Randleitapparat im Meridianschnitt
eine keilartige Form zeigt,
wobei bevorzugt die Laufspalteinzugtiefe
bis zu einem Punkt stromauf der Hinterkante und innerhalb des beschaufelten
Bereiches der Schaufelreihe kontinuierlich auf Null absinkt und
auf diese Weise der Randleitapparat im Meridianschnitt eine keilartige
Form zeigt,
wobei bevorzugt die Stromabwärtserstreckung des
Randleitapparates w auf höchstens das vordere Drittels
der Schaufelspitze begrenzt ist, wobei gilt: w < 0,33 IVH,
wobei bevorzugt die
Hauptströmungspfadberandung im Wesentlichen glatt verläuft
und infolge dessen bei Wahrung der keilartigen Form des Randleitapparats
in der Schaufelspitze und im Laufspalt ein Knickpunkt vorgesehen
ist,
wobei bevorzugt die Hauptströmungspfadberandung
S-förmig geschwungen verläuft und bei Wahrung
der keilartigen Form des Randleitapparats ein geradlinger Verlauf
der Schaufelspitze und des Laufspalts vorgesehen ist,
wobei
bevorzugt ein Neigungswinkel des Laufspaltes mit einem Betrag von
kleiner 8° vorgesehen ist (–8° < α < 8°),
wobei
bevorzugt eine Stromaufwärtserstreckung des Randleitapparates
v von größer 0,25·IVH vorgesehen ist
und auf diese Weise die Vorderkante der Randleitapparatprofile entsprechend
einer aerodynamischen Pfeilung schräg zum Laufspalt und
schräg zur Hauptströmungspfadberandung orientiert
ist,
wobei bevorzugt die Profile des Randleitapparats keine
Wölbung besitzen,
wobei bevorzugt die Profile des
Randleitapparats gewölbt sind,
wobei bevorzugt ein
Staffelungswinkel der Profile des Randleitapparates λR mit einem Wert im Bereich –40° < λR < 30° vorgesehen
ist,
wobei bevorzugt der Staffelungswinkel der Profile des
Randleitapparates λR und der Staffelungswinkel
der Profile der Schaufelreihe λS unterschiedliches
Vorzeichen besitzen,
wobei bevorzugt der Staffelungswinkel
der Profile des Randleitapparates λR und
der Staffelungswinkel der Profile der Schaufelreihe λS dasselbe Vorzeichen besitzen,
wobei
bevorzugt die Profile des Randleitapparates keilartig mit maximaler
Dicke an ihrer Hinterkante geformt sind,
wobei bevorzugt im
hinteren Teil des beschaufelten Bereichs der Schaufelreihe ein Anstreifbelag vorgesehen
ist und die Schaufelspitze mit einem Absatz zu versehen, dahin gehend,
dass dadurch der Laufspalt im Bereich des Randleitapparats größer
ist als im Bereich des Anstreifbelages,
wobei bevorzugt im
hinteren Teil des beschaufelten Bereichs der Schaufelreihe ein Anstreifbelag vorgesehen
ist und der Randleitapparat im Vergleich zum Anstreifbelag etwas
zurückgenommen ist, dahin gehend, dass der Laufspalt im
Bereich des Randleitapparats größer ist als im
Bereich des Anstreifbelages.
-
Die
vorliegende Erfindung erlaubt eine deutlich höhere aerodynamische
Belastbarkeit von Rotoren und Statoren in Strömungsarbeitmaschinen,
bei gleichbleibendem oder erhöhtem Wirkungsgrad. Es ist
eine Reduzierung der Teilezahl und des Komponentengewichts von mehr
als 20% erreichbar. Bei Einsatz des Konzeptes im Hochdruckverdichter
eines Flugtriebwerkes mit rund 25000 Pfund Schub ergibt sich eine
Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauches von bis zu 0,5%.
-
- 1
- Gehäuse
- 2
- Ringkanal/Hauptströmungpfad
- 3
- Rotortrommel
(Nabe)
- 4
- Maschinenachse
- 5
- Schaufel/Schaufelreihe
- 6
- Naben-
oder Gehäusebaugruppe
- 7
- Ringnut/(stromauforientierte)
Nut
- 8
- Schaufelreihe
mit freiem Ende und Laufspalt
- 9
- stromaufliegende
Schaufelwerke (optional)
- 10
- Reihe
von Profilen (gerade oder gewölbt), Randleitapparat
- 11
- Spalt/Laufspalt
- 12
- Profile
von 10
- 13
- Passage
- 14
- Anstreifbelag
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2005/0226717
A1 [0004]
- - EP 0754864 A1 [0004]
- - DE 10135003 C1 [0004]
- - DE 10330084 A1 [0004]