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Die Erfindung betrifft eine Strömungsarbeitsmaschine mit einem Hauptströmungspfad, in dem mindestens eine Hauptrotorschaufelreihe und mindestens eine Nebenrotorschaufelreihe angeordnet sind und der von einem Hauptstrom durchströmt wird.
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Die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Strömungsarbeitsmaschinen wie Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren wird maßgeblich durch die Konfigurierung beziehungsweise Anordnung der vorgesehenen Rotorschaufelreihen bestimmt. Üblich ist es, benachbarte Rotorschaufelreihen gemeinsam mit ein und derselben Welle anzutreiben, mit der Konsequenz, dass die Rotorschaufelreihen mit derselben Drehzahl und mit demselben Drehsinn laufen. Bekannt sind auch Lösungen, bei denen zwei benachbarte Rotoren gegenläufig operieren, wobei jede der Rotorschaufelreihen getrennt jeweils mit einem Getriebe untersetzt wird.
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Solche Strömungsarbeitsmaschinen haben die Einschränkung, dass entweder benachbarte Rotorschaufelreihen gemeinsam mit ein und derselben Welle angetrieben werden oder zwei benachbarte Rotoren gegenläufig operieren, wobei jede der Rotorschaufelreihen getrennt jeweils mit einem Getriebe untersetzt wird und entsprechend mit anderer Drehzahl und/oder Drehrichtung als die Hauptantriebswelle läuft.
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Aus der
US 4 005 575 A ist eine Strömungsarbeitsmaschine bekannt, bei der eine Hochdruckturbine und ein Hochdruckverdichter über eine erste Welle und eine Niederdruckturbine und ein Niederdruckverdichter über eine zweite Welle gekoppelt sind. Die beiden Wellen treiben über ein Getriebe einen Fan an.
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Die
DE 10 2008 013 542 A1 beschreibt eine Strömungsarbeitsmaschine mit einer zweistromigen Rotoranordnung, bei der ein Fluidstrom in einen inneren und einen äußeren Teilfluidstrom aufgeteilt wird, wobei der innere Teilfluidstrom eine innere und der äußere Teilfluidstrom eine äußere Rotorschaufelreihe durchströmt. Dabei werden die beiden Rotorschaufelreihen durch separate Wellen angetrieben. Alternativ treibt eine Antriebswelle eine Rotorschaufelreihe mit gleicher Drehzahl und eine Rotorschaufelreihe über ein Getriebe an.
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Eine Strömungsarbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
US 2007/0 084 185 A1 bekannt.
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Es besteht ein Bedarf an kompakten baulichen Lösungen, die es erlauben, zwei hintereinander angeordnete Rotorschaufelreihen mit unterschiedlicher Drehzahl und/oder unterschiedlichem Drehsinn zu betreiben.
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Erfindungsgemäß ist eine Strömungsarbeitsmaschine vorgesehen mit einer Hauptantriebswelle, mit einer koaxial zur Hauptantriebwelle angeordneten hohl gestalteten und die Hauptantriebwelle wenigstens entlang eines Teilabschnitts umgebenden Nebenantriebswelle, mit einer feststehenden Tragstruktur, in der die beiden Wellen gelagert sind, mit einer zentriert zur Hauptantriebwelle angeordneten Drehzahlwandeleinheit, die eine teilweise Leistungsübertragung von der Hauptantriebswelle zur Nebenantriebwelle vornimmt, und mit mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Rotorschaufelreihen, wobei mindestens eine Hauptrotorschaufelreihe mit der Hauptantriebswelle fest verbunden ist und mindestens eine Nebenrotorschaufelreihe mit der Nebenantriebswelle fest verbunden ist. Die Rotorschaufelreihen sind in einem Hauptströmungspfad angeordnet. Die mindestens eine Hauptantriebswelle und die mindestens eine Nebenantriebswelle bzw. die mindestens eine Hauptrotorschaufelreihe und die mindestens eine Nebenrotorschaufelreihe besitzen eine unterschiedliche Drehzahl und/oder Drehrichtung. Die Strömungsarbeitsmaschine besitzt eine doppelstromige Anordnung. Mit den äußeren Schaufelenden der Nebenrotorschaufelreihe ist ein Scheibenring verbunden, wobei der der Strömungsarbeitsmaschine zugeführte Gesamtfluidstrom durch den Scheibenring in zwei Ströme, den Hauptstrom und einen Außenstrom, aufgeteilt wird. Der Scheibenring bildet die äußere Strömungspfadberandung für den Hauptstrom und fungiert auf diese Weise als rotierendes Gehäuse für die Hauptrotorschaufelreihe und die Nebenrotorschaufelreihe. Am äußeren Rand des Scheibenrings ist mindestens eine sich radial nach außen in einen Außenstrom erstreckende Außenstromrotorschaufelreihe vorgesehen, die mit dem Scheibenring fest verbunden ist, derart, dass von der Nebenantriebswelle über die Nebenrotorscheibe oder -trommel, die Nebenrotorschaufelreihe und den Scheibenring die Drehzahl und Drehrichtung der Nebenrotorschaufelreihe auf die Außenstromrotorschaufelreihe übertragen wird. Sromab der Rotorschaufelreihen wird der Hauptstrom in einen Außenteilstrom und einen Innenteilstrom aufgeteilt und stromab des Scheibenringes werden der Außenteilstrom und der Außenstrom zusammengeführt und nehmen entlang wenigstens eines Teilbereiches der Strömungsarbeitsmaschine einen gemeinsamen Verlauf.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Hauptströmungspfad und die Rotorschaufelreihen nach außen hin durch ein umgebendes Gehäuse begrenzt oder als alternative Lösung nach außen hin offen gestaltet sind.
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Die erfindungsgemäße Strömungsarbeitsmaschine erlaubt eine signifikante Steigerung des stirnflächenbezogenen Massenstroms einer Strömungsarbeitmaschine sowie bei Anwendung auf den Fan eines Flugtriebwerks in Ausführungsbeispielen eine etwa zweiprozentige Steigerung des Wirkungsgrades. Bei Einsatz des Konzeptes im Verdichter eines Flugtriebwerks mit rund 25000 Pfund Schub ergibt sich in Ausführungsbeispielen eine Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauches von wenigstens 1%.
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Die Erfindung bezieht sich dabei auf Strömungsarbeitsmaschinen wie Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren axialer und halbaxialer Bauart mit gasförmigem oder flüssigem Arbeitsmedium (Fluid). Die Strömungsarbeitsmaschine (SAM) besteht aus mindestens einer Stufe, wobei jede Stufe von einem Rotor mit nachfolgendem Stator oder durch einen Rotor allein gebildet werden kann. Der Rotor besteht aus einer Anzahl von Schaufeln, die mit einer Rotortrommel verbunden sind und Energie an das Arbeitsmedium abgeben. Der Rotor kann mit oder ohne Deckband am äußeren Schaufelende ausgeführt sein. Ein gegebenenfalls vorhandener Stator besteht aus einer Anzahl feststehender Schaufeln, die nabenseitig und/oder gehäuseseitig mit festem oder freiem Schaufelende ausgeführt sein können. Die Rotortrommel und die Beschaufelung können von einem Gehäuse umgeben sein. Die Maschine kann einen Stator vor dem ersten Rotor aufweisen (Vorleitrad). Die Statoren können -abweichend von der unbeweglichen Fixierung – drehbar gelagert sein und zur Verstellung eine von außerhalb des Hauptströmungspfades zugängliche Spindel besitzen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umgibt die Nebenantriebswelle die Hauptantriebwelle nur entlang eines Teilabschnitts und ist die Drehzahlwandeleinheit in axialer Richtung vor oder hinter der Nebenantriebswelle angeordnet. Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass mehr Raum zur Ausbildung der Drehzahlwandeleinheit bereitsteht und diese nicht zwischen der Hauptantriebwelle und der diese umgebenden Nebenantriebswelle ausgebildet sein muss. Insbesondere kann die Nebenantriebswelle radial außen mit einem Getriebeelement der Drehzahlwandeleinheit koppeln.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine der beiden Wellen, Hauptantriebswelle und Nebenantriebwelle, konstruktiv als ein Antriebsstrang aus mehreren verdrehfest miteinander verbundenen Wellenelementen gebildet ist. Hierdurch werden eine vereinfachte Herstellung und Montage der Antriebswelle ermöglicht.
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Die Drehzahlwandeleinheit ist in einer Ausgestaltung so beschaffen, dass die Hauptantriebswelle und die Nebenantriebwelle gleichen Drehsinn besitzen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Hauptantriebswelle und die Nebenantriebwelle einen gegenläufigen Drehsinn besitzen. Dabei ist die Drehzahlwandeleinheit beispielsweise so beschaffen, dass die Hauptantriebswelle mit höherer Drehzahl rotiert als die Nebenantriebwelle.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 11 beschrieben. Dabei zeigen:
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1: ein Beispiel einer Strömungsarbeitsmaschine, wobei zwei benachbarte Rotoren eine Drehzahldifferenz und einen gleichen Drehsinn aufweisen,
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2: ein weiteres Beispiel einer Strömungsarbeitsmaschine, wobei zwei benachbarte Rotoren eine Drehzahldifferenz und einen gegenläufigen Drehsinn aufweisen,
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3: ein weiteres Beispiel einer Strömungsarbeitsmaschine, wobei zwei benachbarte Rotoren eine Drehzahldifferenz und einen gegenläufigen Drehsinn aufweisen,
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4: ein weiteres Beispiel einer Strömungsarbeitsmaschine, wobei zwei benachbarte Rotoren eine Drehzahldifferenz und einen gleichen Drehsinn aufweisen,
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5: ein weiteres Beispiel einer Strömungsarbeitsmaschine, wobei zwei benachbarte Rotoren eine Drehzahldifferenz und einen gleichen Drehsinn aufweisen,
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6: ein weiteres Beispiel einer Strömungsarbeitsmaschine, wobei zwei benachbarte Rotoren eine Drehzahldifferenz und einen gegenläufigen Drehsinn aufweisen,
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7: ein Ausführungsbeispiel einer Strömungsarbeitsmaschine, die eingangsseitig einen inneren und einen äußeren Teilfluidstrom aufweist, wobei in dem inneren Teilfluidstrom zwei benachbarte Rotoren einen gleichen Drehsinn aufweisen, und wobei eine Kraftübertragung an eine ummantelnde Rotortrommel mit Außenschaufeln erfolgt,
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8: eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 7, wobei die Strömungsarbeitsmaschine im inneren Teilfluidstrom eine vorgezogene Hauptrotorschaufelreihe ausbildet,
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9: eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 7, wobei die Strömungsarbeitsmaschine im äußeren Teilfluidstrom eine Außenstromrotorschaufelreihe ausbildet, die die beiden Rotoren des inneren Teilfluidstroms in axialer Richtung vollständig überlappt,
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10: eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 7, wobei die Strömungsarbeitsmaschine im äußeren Teilfluidstrom zwei in Tandemkonfiguration ausgebildete Außenstromrotorschaufelreihen ausbildet, und
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11: schematisch einen Schnitt entlang der Linie X-X durch die Strömungsarbeitsmaschinen der 7–10.
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Die 1 zeigt eine Strömungsarbeitsmaschine mit einer Drehzahldifferenz benachbarter Rotoren. Die Strömungsarbeitsmaschine besitzt in diesem Bild beispielhaft eine Hauptrotorschaufelreihe 2 und eine Nebenrotorschaufelreihe 5. Es sind aber auch Anordnungen mit mehreren Hauptrotorschaufelreihen und/oder Nebenrotorschaufelreihen möglich. In Durchströmungsrichtung der Maschine betrachtet sind die Hauptrotorschaufelreihe 2 und die Nebenrotorschaufelreihe 5 unmittelbar benachbart angeordnet und bilden auf diese Weise ein Rotor-Paar. In alternativen Ausgestaltungen kann davon abweichend vorgesehen sein, dass die Hauptrotorschaufelreihe 2 und die Nebenrotorschaufelreihe 5 zueinander beabstandet sind, beispielsweise die Hauptrotorschaufelreihe zu einer ersten Stufe mit Rotor und Stator und die Nebenrotorschaufelreihe zu einer weiteren Stufe mit Rotor und Stator gehört.
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Die Strömungsarbeitsmaschine wird, wie durch den Pfeil 1 angedeutet, von links nach rechts durchströmt. Die Strömung verläuft zuerst durch die Hauptrotorschaufelreihe 2, dann durch die Nebenrotorschaufelreihe 5. Dabei kann das Rotor-Paar 2, 5 innerhalb eines Verbundes weiterer Stufen oder Schaufelreihen in einer Strömungsarbeitsmaschine eingebettet angeordnet sein. Alternativ kann, wie in der 1 dargestellt, das Rotor-Paar 2, 5 direkt am Eintritt einer Strömungsarbeitsmaschine als erste Schaufelreihen vorgesehen sein. Das Rotorpaar 2, 5 kann ohne ein äußeres Gehäuse als offen laufend gestaltet sein, oder, wie in der 1 gezeigt, von einem äußeren Gehäuse 22 umgeben sein.
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Die Strömungsarbeitsmaschine besitzt eine feststehende Tragstruktur 14, in der das Rotor-Paar 2, 5 und die für den Antrieb des Rotor-Paares 2, 5 vorgesehenen Bauteile abgestützt und gelagert sind. Es kann vorgesehen seindass das Rotor-Paar 2, 5 in der feststehenden Tragstruktur 14 oder in mit der feststehenden Tragstruktur 14 fest verbundenen Strukturbauteilen fliegend gelagert ist, derart, dass ein Hauptwellenlager 13 der Hauptantriebwelle 4 in Strömungsrichtung betrachtet hinter den scheiben- oder trommelartig gestalteten Bauteilen angeordnet ist, die die Antriebsleistung von der Hauptantriebswelle 4 auf die Hauptrotorschaufelreihe 2 und von der Nebenantriebswelle 9 auf die Nebenrotorschaufelreihe 5 übertragen.
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Die Hauptantriebswelle 4 treibt eine Hauptrotorscheibe 3 an, mit der die Hauptrotorschaufelreihe 2 verbunden ist. Die Nebenantriebswelle 9 ist im dargestellten Beispiel mit mindestens einem Lager 8, 10 zentrisch und koaxial auf der Hauptantriebswelle 4 gelagert. Die Nebenantriebswelle 9 treibt eine Nebenrotorscheibe 6 an, mit der die Nebenrotorschaufelreihe 5 verbunden ist.
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Die Hauptantriebswelle 4 kann aus mehreren miteinander verbundenen Wellenbauteilen aufgebaut sein. Gleiches gilt für die Nebenantriebswelle 9.
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Verbunden mit der Hauptantriebswelle 4 ist ein Abtriebsrad 11, von dem aus ein Teil der Antriebsleistung von der Hauptantriebswelle 4 über eine Drehzahlwandeleinheit auf die Nebenantriebswelle 9 übertragen wird. Dies kann auf vielfältige Weise erfolgen. In dem hier dargestellten Beispiel ist dazuein Planetengetriebe vorgesehen. Es sind aber auch eine andere Getriebeform oder z. B. eine Viskokupplung oder ein hydraulischer Drehzahlwandler alternativ als Drehzahlwandeleinheit einsetzbar.
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Näher beschrieben wird im Folgenden als Beispiel der Spezialfall eines Planetengetriebes zur Realisierung der Drehzahlwandeleinheit. Das mit der Hauptantriebswelle 4 gekoppelte Abtriebsrad 11 (das Sonnenrad) weist einen Zahnkranz auf, mit dem es im Eingriff steht mit einer Anzahl von Planetenzahnrädern 17, die ihrerseits zum einen an einem Planetenradträger 23 drehbar befestigt sind und zum anderen mit einer am feststehenden Getriebegehäuse 15 vorgesehenen Innenverzahnung 18 (dem Hohlrad) im Eingriff stehen. Der Planetenradträger 23 ist dabei mit der Nebenantriebswelle 9 gekoppelt. Auf diese Weise wird ein Teil der Antriebsleistung der Hauptantriebswelle 4 über den Planetenradträger 23 an die Nebenantriebswelle 9 übertragen, wobei sich ein gleicher Drehsinn von Hauptrotorschaufelreihe 2 und Nebenrotorschaufelreihe 5 ergibt.
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Das Planetengetriebe koppelt somit genau zwei Wellen, die Hauptantriebswelle 4 und die Nebenantriebswelle 9. Weitere Wellen sind nicht vorhanden.
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In einer Ausgestaltung ist, wie in der 1 dargestellt, das Zahnradgetriebe gemeinsam mit den Lagern 8, 10 der Nebenantriebswelle 9 in einer abgedichteten Getriebekammer angeordnet, die wenigstens teilweise durch das Getriebegehäuse 15, 16 gebildet wird, welches mit der feststehenden Tragstruktur 14 verbunden ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Zahnradgetriebe (hier beispielhaft durch die Elemente 11, 17, 18, 23 dargestellt), die Nebenantriebswelle 9 und die Lagerung der Nebenantriebswelle 8, 10 eine integrierte Einheit zum Antrieb der Nebenrotorschaufelreihe 5 bilden, wobei diese Bauteile räumlich konzentriert beieinander im Bereich zwischen der Hauptrotorscheibe 3 und dem Hauptwellenlager 13 angeordnet sind. Das Zahnradgetriebe, die Nebenantriebswelle 9 und die Lagerung der Nebenantriebswelle 8, 10 werden von der Hauptantriebswelle 4 zentrisch durchdrungen, derart, dass die Hauptrotorschaufelreihe 2 konstruktiv stromauf der Nebenrotorschaufelreihe 5 vorgesehen ist und von der von stromab der Strömungsarbeitsmaschine herangeführten Hauptantriebswelle 4 angetrieben werden kann, wobei die Hauptantriebswelle konstruktiv als ein Antriebsstrang aus mehreren verdrehfest miteinander verbundenen Wellenelementen gebildet sein kann.
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In einer Ausgestaltung kann sich der Hauptstrom 1, wie hier dargestellt, stromab eines Rotor-Paares 2, 5 in einen Außenteilstrom 19 und einen Innenteilstrom 20 aufteilen. Diese Aufteilung wird durch eine Trennlippe 33 der feststehenden Tragstruktur 14 unterstützt. Dabei kann wenigstens der Innenteilstrom 20 durch die feststehende Tragstruktur 14 geführt sein. Dabei ist es konstruktiv vorteilhaft, wenn wenigstens einer der Teilströme 19, 20 wenigstens eine Reihe feststehender Strömungsprofile, die von gewölbter oder ungewölbter Natur sein können, passiert. Beispielsweise passiert der Innenteilstrom 20 stromab des Rotor-Paares 2, 5 im weiteren Strömungsverlauf wenigstens eine Statorschaufelreihe 21. Der Innenteilstrom 20 stellt beispielsweise den Kernstrom für einen nachfolgenden Verdichter dar.
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Konstruktiv kann es günstig sein, wenn im Fall der Verwendung eines Planetengetriebes der Planetenradträger 23 und die Nebenantriebswelle 9, wie hier dargestellt, als mehrere Bauteile fest miteinander verbunden sind oder gar ein gemeinsames Bauteil bilden.
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Die 2 zeigt eine ähnliche Strömungsarbeitsmaschine mit Drehzahldifferenz benachbarter Rotoren wie die 1. Hier steht der Hauptzahnkranz 11 im Eingriff mit einer Anzahl von Planetenzahnrädern 17, die ihrerseits zum einen an dem Getriebegehäuse 15 oder an der feststehenden Tragstruktur 14 drehbar befestigt sind und zum anderen mit der an einem Außenzahnring 24 vorgesehenen Innenverzahnung 18 im Eingriff stehen. Auf diese Weise wird ein Teil der Antriebsleistung der Hauptantriebswelle 4 über den Außenzahnring 24 an die Nebenantriebswelle 9 übertragen, wobei sich ein gegenläufiger Drehsinn von Hauptrotorschaufelreihe 2 und Nebenrotorschaufelreihe 5 ergibt.
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In einer Variante ist, wie in der 2 dargestellt, das Zahnradgetriebe gemeinsam mit den Lagern 8, 10 der Nebenantriebswelle 9 in einer abgedichteten Getriebekammer angeordnet, die wenigstens teilweise durch das Getriebegehäuse 15, 16 gebildet wird, welches mit der feststehenden Tragstruktur 14 verbunden ist.
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Eine Variante besteht darin, dass im Fall der Verwendung eines Planetengetriebes der Planetenaußenzahnkranz 18 und die Nebenantriebswelle 9, wie hier nicht im Einzelnen dargestellt, als mehrere Bauteile fest miteinander verbunden sind oder gar ein gemeinsames Bauteil bilden. Die Lager 8, 10 befinden sich im Inneren der Nebenantriebswelle 9.
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Die 3 zeigt eine ähnliche Strömungsarbeitsmaschine mit Drehzahldifferenz benachbarter Rotoren wie die 2. Hier ist die Nebenantriebswelle 9 in mindestens einem mit der feststehenden Tragstruktur 14 fest in Verbindung stehenden Bauteil, oder in der feststehenden Tragstruktur selbst mit mindestens einem Lager 8, 10 abgestützt und gelagert. So sind die Lager 8, 10 an dem Getriebegehäuse 16 und dabei an der Außenseite der Nebenantriebswelle 9 angeordnet und abgestützt.
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Die 4 zeigt eine weitere Variante einer Strömungsarbeitsmaschine ähnlich der 1. Die Hauptrotorschaufelreihe 2 und die Nebenrotorschaufelreihe 5 besitzen in der hier dargestellten Variante gleichen Drehsinn. Das Getriebegehäuse 15, 16 ist mit der feststehenden Tragstruktur 14 fest verbunden und ein Hauptlager 25, das unter anderem die Aufgabe des Hauptwellenlagers 13 für die Hauptantriebswelle 4 (vgl. 1) übernimmt, ist vorne (auf der zuströmungszugewandten Seite) in die Getriebeeinheit integriert, derart, dass es seinen Sitz im Getriebegehäuse 15, 16 hat.
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Die Hauptantriebswelle 4 ist dabei indirekt in dem in die Getriebeeinheit integrierten Hauptlager 25 gelagert, insofern als die Hauptantriebswelle 4 koaxial und drehbeweglich zur Nebenantriebswelle 9 angeordnet und mit den Nebenwellenlagern 8, 10 in der Nebenantriebswelle 9 gelagert ist, und die Nebenantriebswelle 9 ihrerseits mit dem Hauptlager 25 in mit der feststehenden Tragstruktur fest verbundenen Strukturbauteilen 16 gelagert ist.
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Dabei kann auch eine hier nicht dargestellte Anordnung des Hauptlagers 25 direkt in der feststehenden Tragstruktur 14 vorgesehen sein.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass das Rotor-Paar 2, 5 in der feststehenden Tragstruktur 14 oder in mit der feststehenden Tragstruktur 14 fest verbundenen Strukturbauteilen fliegend gelagert ist, derart, dass das Hauptlager 25 in Strömungsrichtung betrachtet hinter den scheiben- oder trommelartig gestalteten Bauteilen 3, 6 angeordnet ist, die die Antriebsleistung von der Hauptantriebswelle 4 auf die Hauptrotorschaufelreihe 2 und von der Nebenantriebswelle 9 auf die Nebenrotorschaufelreihe 5 übertragen.
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Die 5 zeigt eine weitere Variante einer Strömungsarbeitsmaschine ähnlich der 1. Die Hauptrotorschaufelreihe 2 und die Nebenrotorschaufelreihe 5 besitzen in der hier dargestellten Variante gleichen Drehsinn. Das Getriebegehäuse 15, 16 ist mit der feststehenden Tragstruktur 14 fest verbunden und das Hauptwellenlagers 13 ist hinten (d. h. auf der zuströmungsabgewandten Seite und hinter der Drehzahlwandeleinheit) in die Getriebeeinheit integriert, derart, dass es seinen Sitz im Getriebegehäuse 15, 16 hat.
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Die 6 zeigt, ähnlich wie die 1, eine Strömungsarbeitsmaschine mit Drehzahldifferenz benachbarter Rotoren 2, 5. Wegen eines zusätzlichen Satzes von Planetenzahnrädern 26 in der Getriebeanordnung besitzen die Hauptrotorschaufelreihe 2 und die Nebenrotorschaufelreihe 5 in der hier dargestellten Variante gegenläufigen Drehsinn. Der Hauptzahnkranz 11 steht im Eingriff mit einer Anzahl von Planetenzahnräder 26, die ihrerseits jeweils mit einem der Planetenzahlräder 17 im Eingriff stehen. Dabei sind die Planetenzahnräder 17, 26 am Planetenradträger 23 drehbar befestigt. Die Planetenzahnräder 17 stehen mit der am feststehenden Gehäuse 15 vorgesehenen Innenverzahnung 18 im Eingriff. Auf diese Weise wird ein Teil der Antriebsleistung der Hauptantriebswelle 4 über den Planetenradträger 23 an die Nebenantriebswelle 9 übertragen, wobei ein gegenläufiger Drehsinn von Hauptrotorschaufelreihe 2 und Nebenrotorschaufelreihe 5 vorliegt.
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Die 7 zeigt eine erfindungsgemäße Strömungsarbeitsmaschine in einer doppelstromigen Anordnung. Hier ist eine erweiterte Variante dargestellt, die als äußere Begrenzung für die Strömung 1 durch das Rotor-Paar 2, 5 einen Scheibenring 27 besitzt, der mit den äußeren Schaufelenden der Nebenrotorschaufelreihe 5 verbunden ist und somit deren Drehzahl und Drehrichtung besitzt. Der Scheibenring 27 bildet die äußere Strömungspfadberandung für das im inneren Strömungspfad 1 angeordnete Rotor-Paar 2, 5, und fungiert auf diese Weise als rotierendes Gehäuse für die Hauptrotorschaufelreihe 2 und die Nebenrotorschaufelreihe 5. Am äußeren Rand des Scheibenrings 27 ist eine sich radial nach außen in einen Außenstrom 29 erstreckende Außenstromrotorschaufelreihe 28 vorgesehen, die mit dem Scheibenring 27 fest verbunden ist, derart, dass von der Nebenantriebswelle 9 über die Nebenrotorscheibe 6, über die Nebenrotorschaufelreihe 5 und über den Scheibenring 27 die Drehzahl und Drehrichtung der Nebenrotorschaufelreihe 5 auf die Außenstromrotorschaufelreihe 28 übertragen wird. Die Rotorkonfiguration 2, 5, 28 wird von einem Außengehäuse 30 ummantelt. Die Anordnung bildet beispielsweise den Einlauf und Bläser (Fan) eines Zweistromtriebwerks. Dabei bilden die Rotorschaufelreihen 2, 5, 28 gemeinsam den Fan.
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Dabei kann es günstig sein, wenn die Außenstromrotorschaufelreihe 28 konzentrisch zum Rotor-Paar 2, 5 und axial so angeordnet ist, dass sie wenigstens einen Teilbereich des eingenommenen Bauraums wenigstens einer der beiden Schaufeln des Rotor-Paares 2, 5 umgibt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Vorderkanten 2a, 28a der Hauptrotorschaufelreihe 2 und der Außenstromrotorschaufelreihe 28 eine gemeinsame Vorderkantenebene bilden und – abgesehen von Ihrer Krümmung – im Wesentlichen die gleiche axiale Position x besitzen. Beispielsweise gehen die Vorderkanten 2a, 28a in radialer Richtung r im Wesentlichen stetig ineinander über, wobei sie durch den Scheibenring 27 unterbrochen sind.
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In der Ausgestaltung der 7 erfolgt eine gezielte Führung und Aufteilung des Fluidstroms durch die Strömungsarbeitsmaschine. So wird der zwischen der Maschinenachse 31 und dem Außengehäuse 30 der Strömungsarbeitsmaschine zugeführte Gesamtfluidstrom durch den Scheibenring 27 in zwei Ströme, den Hauptstrom 1 und einen Außenstrom 29, aufgeteilt.
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Durch die Anordnung der 7 kann ein verbessertes Nebenstromverhältnis eines Zweistromtriebwerks realisiert werden, da die Hauptrotorschaufelreihe 2 und die Außenstromrotorschaufelreihe 28 mit unterschiedlicher Drehzahl betrieben werden können. Auch wird die Betriebssicherheit im Vergleich zu einem einteiligen Fan erhöht, da die Schaufeln der Außenstromrotorschaufelreihe 28 aufgrund einer verringerten Drehgeschwindigkeit und Schaufellänge in geringenem Maße zu einem Flattern neigen.
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Die Strömungspfadberandungen des Hauptstroms 1 sind so gestaltet, dass sie wenigstens im Bereich der Hauptrotorschaufelreihe 2 zwischen sich einen kontrahierenden Strömungspfad bilden.
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Dabei kann es günstig sein, wenn die nabenseitige Strömungspfadberandung 3a, 6a des Hauptstroms 1 im Bereich des Rotorpaars 2, 5 wenigstens teilweise in Strömungsrichtung ansteigend gestaltet ist.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die vom Scheibenring 27 gebildete gehäuseseitige Strömungspfadberandung des Hauptstroms 1 im Bereich der Hauptrotorschaufelreihe 2 wenigstens teilweise in Strömungsrichtung bei konstantem Radius verläuft.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Strömungspfadberandungen des Außenstroms 29 sind so gestaltet, dass sie wenigstens im Bereich der Außenstromrotorschaufelreihe 28 zwischen sich einen kontrahierenden Strömungspfad bilden.
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Es kann vorgesehen sein, dass stromab der Hinterkante 32 der Außenstromrotorschaufelreihe 28 die Strömungspfadberandungen des Außenstroms 29 zwischen sich einen divergierenden Strömungspfad bilden.
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Stromab des Rotor-Paares 2, 5 wird der Hauptstrom 1 durch die Trennlippe 33 der feststehenden Tragstruktur 14 in einen Außenteilstrom 19 und einen Innenteilstrom 20 aufgeteilt. In der hier gezeigten Variante einer erfindungsgemäßen Strömungsarbeitsmaschine wird stromab des Scheibenringes 27 der Außenteilstrom 19 mit dem Außenstrom 29 zusammengeführt, wobei beide Ströme 19, 29 vereint im weiteren Strömungsverlauf eine Statorschaufelreihe 34 passieren.
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An die Stelle der einreihig dargestellten Statorschaufelreihe 34 kann erfindungsgemäß anders als in 7 dargestellt jeweils eine doppelreihige Schaufelreihe (Tandemkonfiguration) treten, siehe 10. Gleiches gilt für die Statorschaufelreihen 21 im Innenteilstrom 20.
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Es kann ebenfalls erfindungsgemäß günstig sein, wenn die Vorderkante der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und die Vorderkante der Hauptrotorschaufelreihe 2 im Wesentlichen die selbe axiale Position einnehmen oder gar in einem speziellen Fall wenigstens ein Punkt der Vorderkante der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und wenigstens ein Punkt der Vorderkante der Hauptrotorschaufelreihe 2 die selbe axiale Position besitzen.
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Die 8 zeigt ebenfalls eine Variante der erfindungsgemäßen Strömungsarbeitsmaschine in doppelstromiger Anordnung. Der Scheibenring 27 fungiert auch hier als rotierendes Gehäuse für die Hauptrotorschaufelreihe 2 und die Nebenrotorschaufelreihe 5. Die am äußeren Rand des Scheibenrings 27 sich radial nach außen in den Außenstrom 29 erstreckende Außenstromrotorschaufelreihe 28 ist derart mit dem Scheibenring 27 fest verbunden, dass sie mit der Nebenrotorschaufelreihe 5 im Wesentlichen die selbe axiale Position einnimmt.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Hinterkante 32 der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und die Hinterkante der Nebenrotorschaufelreihe 5 im Wesentlichen die selbe axiale Position einnehmen oder gar in einem speziellen Fall wenigstens ein Punkt der Hinterkante 32 der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und wenigstens ein Punkt der Hinterkante der Nebenrotorschaufelreihe 5 die selbe axiale Position besitzen.
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Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Vorderkante der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und die Vorderkante der Nebenrotorschaufelreihe 5 im Wesentlichen die selbe axiale Position einnehmen oder gar in einem speziellen Fall wenigstens ein Punkt der Vorderkante der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und wenigstens ein Punkt der Vorderkante der Nebenrotorschaufelreihe 5 die selbe axiale Position besitzen.
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Auf diese Weise kann sich in einer erfindungsgemäßen Variante ergeben, dass die Hauptrotorschaufelreihe 2 im Wesentlichen axial stromauf der Außenstromrotorschaufelreihe 28 vorgesehen ist.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Hinterkante der Hauptrotorschaufelreihe 2 wenigstens teilweise oder gar im Wesentlichen axial stromauf der Vorderkante der Außenstromrotorschaufelreihe 28 vorgesehen ist. Besonders günstig kann es dabei sein, wenn die Hauptrotorschaufelreihe 2 von einem in axialer Richtung betrachtet unbeschaufelten Bereich des Scheibenrings 27 ummantelt ist.
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Erfindungsgemäß wird durch die besondere Strömungsführung, d. h. die Aufteilung des Hauptstroms 1 in den Außenteilstrom 19 und den Innenteilstrom 20 ein während des Betriebes der Strömungsarbeitsmaschine variables Verhältnis der Massenströme ”Innenteilstrom 20” zu ”Außenteilstrom 19 + Außenstrom 29” erreicht – dies bedingt durch die Vorsehung einer Lücke beziehungsweise eines Abstandes zwischen der Hinterkante des Scheibenrings 27 und der Trennlippe 33 der feststehenden Tragstruktur 14, beziehungsweise durch die Vorsehung eines Strömungskanals zwischen der feststehenden Tragstruktur 14 und dem Scheibenring 27.
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Die 9 zeigt ebenfalls eine Variante der erfindungsgemäßen Strömungsarbeitsmaschine in doppelstromiger Anordnung. Der Scheibenring 27 fungiert auch hier als rotierendes Gehäuse für die Hauptrotorschaufelreihe 2 und die Nebenrotorschaufelreihe 5. Die am äußeren Rand des Scheibenrings 27 sich radial nach außen in den Außenstrom 29 erstreckende Außenstromrotorschaufelreihe 28 ist derart am Scheibenring 27 angeordnet, dass sie im Wesentlichen den von der Nebenrotorschaufelreihe 5 und der Hauptrotorschaufelreihe 2 gemeinsam eingenommenen axialen Bauraum umgibt und der am Scheibenring 27 gelegene, innerste Schaufelschnitt der Außenstromrotorschaufelreihe 28 wenigstens einen überwiegenden Teil des von der Nebenrotorschaufelreihe 5 und der Hauptrotorschaufelreihe 2 gemeinsam eingenommenen axialen Bauraum überspannt.
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Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Hinterkante 32 der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und die Hinterkante der Nebenrotorschaufelreihe 5 im Wesentlichen die selbe axiale Position einnehmen oder gar in einem speziellen Fall wenigstens ein Punkt der Hinterkante der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und wenigstens ein Punkt der Hinterkante der Nebenrotorschaufelreihe 5 die selbe axiale Position besitzen.
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Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Vorderkante der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und die Vorderkante der Hauptrotorschaufelreihe 2 im Wesentlichen die selbe axiale Position einnehmen oder gar in einem speziellen Fall wenigstens ein Punkt der Vorderkante der Außenstromrotorschaufelreihe 28 und wenigstens ein Punkt der Vorderkante der Hauptrotorschaufelreihe 2 die selbe axiale Position besitzen.
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Die 10 zeigt ebenfalls eine Variante der erfindungsgemäßen Strömungsarbeitsmaschine in doppelstromiger Anordnung. In diesem Ausführungsbeispiel tritt an die Stelle der Außenstromrotorschaufelreihe 28 eine doppelreihige Konfiguration aus zwei Rotorschaufelreihen 28y, 28z, die mit dem Scheibenring 27 fest verbunden sind. Ebenfalls ist, wie bereits erwähnt, die Statorschaufelreihe 34 in Tandemkonfiguration ausgeführt und bildet zwei Statorschaufelreihen 34y, 34z aus. Dabei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass nur die Außenstromrotorschaufelreihe 28 oder nur die Statorschaufelreihe 34 in Tandemkonfiguration ausgeführt sind.
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Die 11 zeigt die Baugruppe ”Nebenrotorscheibe 6 – Nebenrotorschaufelreihe 5 – Scheibenring 27 – Außenstromrotorschaufelreihe 28 – Außengehäuse 30” in einer axialen Ansicht X-X, die beispielhaft in den 7 bis 10 eingezeichnet ist.
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Die Ansicht X-X liegt in einer oder der Kombination mehrerer Axialebenen, die durch die Koordinatenrichtungen x und y aufgespannt werden, und in der auch die Umfangsrichtung u sichtbar ist. Die Ansicht X-X dient – allgemein für alle erfindungsgemäßen doppelstromigen Anordnungen der Strömungsarbeitsmaschine – der Verdeutlichung von günstigen Anzahlen und Anordnungen der Schaufeln der Nebenrotorschaufelreihe 5 und der Außenstromrotorschaufelreihe 28. Die Schaufeln sind hier zur besseren Übersichtlichkeit vereinfacht durch eine gerade dicke Linie dargestellt, die jeweils als die Verbindungslinie der Flächenschwerpunkte aller zu einer Schaufel gehörenden Profilflächenschwerpunkte zu betrachten ist, auch Schaufelachse (oder Auffädellinie) genannt. Die Schaufelachse kann, anders als hier dargestellt, auch gekrümmt verlaufen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Schaufeln der Nebenrotorschaufelreihe 5 (im Folgenden als N5 bezeichnet) kleiner als die Anzahl der Schaufeln der Außenstromrotorschaufelreihe 28 (im Folgenden als N28 bezeichnet). Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Anzahl N5 der Schaufeln der Nebenrotorschaufelreihe 5 und die Anzahl N28 der Schaufeln der Außenstromrotorschaufelreihe 28 einen gemeinsamen Teiler besitzen.
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Es kann des Weiteren vorgesehen sein, dass wenigstens jede Schaufelachse der Nebenrotorschaufelreihe 5 mit einer Schaufelachse der Außenstromrotorschaufelreihe 28 eine im wesentlichen gemeinsame Umfangsposition einnimmt.
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Es kann vorgesehen sein, dass am Scheibenring 27 in Umfangsrichtung zwischen der Schaufelachse einer jeden Nebenrotorschaufelreihe 5 und einer Schaufelachse der Außenstromrotorschaufelreihe 28 ein Winkelabstand von weniger als Au gegeben ist, wobei gilt: Au = 0,2·360/N28.
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Es kann ebenso vorgesehen sein, dass wenigstens jede Schaufelachse der Außenstromrotorschaufelreihe 28 mit einer Schaufelachse der Nebenrotorschaufelreihe 5 eine im wesentlichen gemeinsame Umfangsposition einnimmt.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass am Scheibenring 27 in Umfangsrichtung zwischen der Schaufelachse einer jeden Außenstromrotorschaufelreihe 28 und einer Schaufelachse der Nebenrotorschaufelreihe 5 ein Winkelabstand von weniger als Au gegeben ist, wobei gilt: Au = 0,2·360/N5.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele, die lediglich beispielhaft zu verstehen sind. Beispielsweise können die Hauptantriebswelle und die Nebenantriebswelle in anderer Weise als über ein Planetengetriebe miteinander gekoppelt und die Rotorschaufelreihen in anderer Weise ausgebildet und zueinander angeordnet sein.
