DE102016205251A1 - Bauteilstruktur für eine Strömungsmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauteilstruktur (10) für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk, mit wenigsten einem Bauteil (12), das eine bezüglich einer axialen Hauptströmungsrichtung (I) eines Arbeitsfluids der Strömungsmaschine stromabliegende Hinterkante (16) sowie ein Verkleidungsteil (24) umfasst, wobei das Bauteil (12) mit wenigstens einem Wandelement (14) der Bauteilstruktur (10) verbundenen ist und radial von diesem Wandelement (14) abragt und wobei sich das Verkleidungsteil (24) im Anbindungsbereich des Bauteils (12) an das Wandelement (14) in die Hauptströmungsrichtung (I) von der Hinterkante (16) weg erstreckt, wobei eine axiale Länge (x) des Verkleidungsteils (24) in die Hauptströmungsrichtung (I) größer als eine radiale Höhe (Rfil) des Verkleidungsteils (24) ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Bauteilstruktur (10).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Bauteilstruktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 für eine Strömungsmaschine sowie eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Bauteilstruktur.
• Bauteilstrukturen, die wenigstens ein Bauteil umfassen, das mit wenigstens einem Wandelement verbunden ist und eine bezüglich einer axialen Hauptströmungsrichtung eines Arbeitsfluids einer Strömungsmaschine stromabliegende Hinterkante umfasst, sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. Aus Festigkeitsgründen sind bei solchen Bauteilstrukturen für Strömungsmaschinen am Übergang vom Bauteil zum angrenzenden Wandelement häufig Verkleidungsteile mit vergleichsweise großen Rundungsradien vorgesehen, welche auch „Fillets“ genannt werden. Ein Beispiel hierfür sind Turbomaschinenschaufeln, deren Schaufeln im Anbindungsbereich an eine Seitenwand mit Verkleidungsteilen versehen werden.
• Wenn diese Bauteilstrukturen mit einem Arbeitsfluid der Strömungsmaschine beaufschlagt werden, kommt es an der stromabwärtigen Hinterkante des Bauteils infolge der plötzlichen Querschnittserweiterung an den Verkleidungsteilen aber zu einer hohen Strömungsverzögerung, was zu Grenzschichtablösungen und Wirkungsgradeinbußen führen kann. Eine Kontrolle der Hinterkantenablösung erfolgt üblicherweise durch eine entsprechende Seitenwandgestaltung des Bauteils, die aber dann für die Hauptströmung des Arbeitsfluids nicht mehr optimal ist, wodurch wertvolles Wirkungsgradpotenzial eingebüßt wird.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bauteilstruktur für eine Strömungsmaschine zu schaffen, welche verbesserte aerodynamische Eigenschaften besitzt. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Bauteilstruktur zu schaffen.
• Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Bauteilstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Strömungsmaschine gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Bauteilstruktur als vorteilhafte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine anzusehen sind.
• Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Bauteilstruktur für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk. Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine axiale Länge des Verkleidungsteils in die Hauptströmungsrichtung größer als eine radiale Höhe des Verkleidungsteils ist. Mit anderen Worten ist es im Unterschied zum Stand der Technik, gemäß welchem die axiale Länge solcher Verkleidungsteile der radialen Höhe dieser Verkleidungsteile entspricht, vorgesehen, dass das Verkleidungsteil formal in die Hauptströmungsrichtung „verzerrt“ oder gestreckt wird und damit die „Stumpfheit“ der bisherigen Verkleidungsteile mindert. Mit Hilfe eines derartigen Verkleidungsteils kann eine vorteilhafte Vergleichmäßigung einer Strömung des Arbeitsfluids erreicht werden, da Verzögerung, Verwirbelungen und Umströmung an der Bauteilstruktur reduziert werden, die Ablösung des Arbeitsmediums beseitigt oder zumindest überwiegend vermieden wird und die Anströmung von stromabliegenden Bauteilen einer zugeordneten Strömungsmaschine verbessert werden kann. Dabei sind Wirkungsgradsteigerungen von bis zu 0,25 % oder mehr möglich.
• Im Stand der Technik gibt es zwar bereits gewisse Verzerrungen des Verkleidungsteils an der Vorderkante, doch dienen diese Verzerrungen nur der Kontrolle der Sekundärströmung. Im Gegensatz hierzu wird durch die erfindungsgemäße Verzerrung des Verkleidungsteils an der Hinterkante die Abströmbedingung an der Hinterkante, die auch in der Fachsprache als „Kuttabedingung“ bekannt ist, verbessert.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die axiale Länge des Verkleidungsteils mindestens dem 1,5-Fachen seiner radialen Höhe entspricht. Mit anderen Worten ist das Verkleidungsteil mindestens 1,5-mal so lang wie hoch. Beispielsweise kann die axiale Länge das 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 1,9-, 2,0-, 2,1-, 2,2-, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 2,7-, 2,8-, 2,9-, 3,0-, 3,1-, 3,2-, 3,3-, 3,4-, 3,5-, 3,6-, 3,7-, 3,8-, 3,9-, 4,0-, 4,1-, 4,2-, 4,3-, 4,4-, 4,5-, 4,6-, 4,7-, 4,8-, 4,9- oder 5,0-Fache der radialen Höhe betragen. Auch höhere Werte über das 5-Fache hinaus sind grundsätzlich möglich. Der genaue Wert kann zusätzlich in Abhängigkeit von der zulässigen Belastung, dem verfügbaren Bauraum und dem Wunsch nach einer Beeinflussung des Strömungswinkels des Arbeitsfluids abhängig gemacht werden.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verkleidungsteil integral mit dem Bauteil ausgebildet ist. Beispielsweise können das Bauteil bzw. sein Bauteilkörper und das Verkleidungsteil gemeinsam gegossen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass auch das Wandelement integral mit dem Bauteil und/oder dem Verkleidungsteil hergestellt ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Verkleidungsteil zunächst separat hergestellt und anschließend mit dem Bauteil und dem Wandelement verbunden ist, wodurch eine höhere Flexibilität erreicht wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Verkleidungsteil additiv, insbesondere durch Auftragsschweißen hergestellt ist. Damit können besonders einfach unterschiedliche Verkleidungsteile bzw. Verkleidungsteile mit komplexen Geometrien besonders präzise und endkonturnah, das heißt ohne die Notwendigkeit von Nachbearbeitungsschritten realisiert werden.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verkleidungsteil eine Ausrundung aufweist. Das Verkleidungsteil, das damit auch als „Fillet“ bezeichnet werden kann, besitzt auf diese Weise besonders vorteilhafte aerodynamische Eigenschaften und verhindert eine unerwünschte Strömungsablösung besonders zuverlässig. Die Ausrundung kann grundsätzlich konvex oder konkav ausgebildet sein, wobei eine konkave Ausrundung bevorzugt ist. In der Regel weist die Hinterkante des Bauteils eine Verrundung auf, so dass die Hinterkante im Wesentlichen die Form eines Halbzylinders mit einer Mittelachse hat. In einem solchen Fall ist es besonders bevorzugt, wenn das Verkleidungsteil in einer beliebigen Schnittebene, welche die Mittelachse des Halbzylinders beinhaltet, eine konkave Ausrundung hat.
• Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn eine Oberflächenkontur der Ausrundung des Verkleidungsteils mit einer Abweichung von maximal ±0,25·R_fil der Gleichung (1) X(φ, r) = x_Hk(φ) + ∆x(φ, r) + δx(φ, r) (1) und der Gleichung (2) Y(φ, r) = y_Hk(φ) + ∆y(φ, r) (2) entspricht,
  in welchen

X(φ, r)

die von Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in x-Richtung der Oberfläche des modifizierten Verkleidungsteils ist;

Y(φ, r)

die dazugehörige von Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in y-Richtung der Oberfläche des modifizierten Verkleidungsteils ist;

x_Hk(φ)

die von Winkel φ abhängige Koordinate in x-Richtung der Oberfläche der Hinterkante (16) ist, wobei gilt: x_Hk(φ) = cos(φ)·R_Hk, mit dem Radius R_Hk der Hinterkante 16;

∆x(φ, r)

die von Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in x-Richtung eines hypothetischen Verkleidungsteils, dessen radiale Höhe R_fil seiner axialen Länge entspricht, ausgehend von der Oberfläche der Hinterkante ist, wobei gilt:

• ∆x(φ, r) = cos(φ)·R_fil·(1 – [1 – (1 – r/R_fil)²]^1/2);

  δx(φ, r)

  die von Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in x-Richtung der Oberfläche des Verkleidungsteils ausgehend von der Oberfläche des hypothetischen Verkleidungsteils ist, wobei weiterhin die Formel gilt:

• δx(φ, r) = c₁·cos(φ)·R_fil·(1 – [1 – (1 – r/R_fil)²]^n/2), in welcher

  R_fil

  die maximale radiale Höhe des hypothetischen Verkleidungsteils;

  c₁

  Skalar mit 1,5 ≤ c₁ ≤ 3,0; und

  n

  Verzerrungsparameter mit 1 ≤ n ≤ 3 bedeuten;

  y_Hk(φ)

  die von Winkel φ abhängige Koordinate in y-Richtung der Oberfläche der Hinterkante (16) ist, wobei gilt: y_Hk(φ) = sin(φ)·R_Hk, mit dem Radius R_Hk der Hinterkante; und

  ∆y(φ, r)

  die vom Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in y-Richtung des hypothetischen Verkleidungsteils, dessen radiale Höhe R_fil seiner axialen Länge entspricht, ausgehend von der Oberfläche der Hinterkante, wobei gilt:

  ∆y(φ, r) = sin(φ)·R_fil·(1 – [1 – (1 – r/R_fil)²]^1/2).
• Durch eine solche formale Verzerrung des Verkleidungsteils gegenüber einem hypothetischen Verkleidungsteil, dessen radiale Höhe seiner axialen Länge entspricht, werden eine besonders hohe Vergleichmäßigung der Abströmung des Arbeitsfluids im Bereich der Hinterkante des wenigstens einen Bauteils der Bauteilstruktur erzielt und entsprechende hohe Wirkungsgradsteigerungen einer zugeordneten Strömungsmaschine ermöglicht. Das Verkleidungsteil ist dabei vorzugsweise zumindest im Wesentlichen spiegelsymmetrisch bezüglich einer radialen Mittelebene ausgebildet. Dabei sind Abweichungen in x- und y-Richtung der durch die oben genannten Formeln berechneten Werte von maximal 0,25·R_fil möglich, wobei diese maximale Abweichung gleichermaßen in positiver und in negativer x- bzw. y-Richtung gilt.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil an seinen gegenüberliegenden radialen Endbereichen mit jeweils einem Wandelement verbunden ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Bauteil sich zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wandelementen erstreckt, wodurch ein radial begrenzter Strömungspfad für das Arbeitsfluid definiert werden kann.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich, indem das Bauteil zwei Verkleidungsteile umfasst, die sich jeweils zur Vergleichmäßigung der Strömung des Arbeitsfluids im jeweiligen Anbindungsbereich des Bauteils an das jeweilige Wandelement in die Hauptströmungsrichtung von der Hinterkante weg erstrecken. Dadurch wird die vorteilhafte Vergleichmäßigung der Strömung des Arbeitsmediums durch die „verzerrten“ Verkleidungsteile sowohl in einem in Einbaulage radial oberen als auch in einem radial unteren Anbindungsbereich des Bauteils an jeweilige Wandelemente sichergestellt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bauteilstruktur mehrere voneinander beabstandet angeordnete und mit dem wenigstens einen Wandelement verbundene Bauteile umfasst. Vorzugsweise ist das wenigstens eine Wandelement ringförmig, während die Bauteile gleichmäßig über den Umfang des Wandelements verteilt angeordnet sind. Dies erlaubt eine einfache Integration der Bauteilstruktur in eine Strömungsmaschine.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Wandelement eine Nabe. Dies ermöglicht eine einfache Anbindung der Bauteilstruktur an eine Welle der Strömungsmaschine.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Bauteilstruktur als Turbinenbauteil ausgebildet. Hierdurch können die Vorteile der erfindungsgemäßen Bauteilstruktur in unterschiedlichen Bereichen einer Strömungsmaschine realisiert werden. Beispielsweise kann die Bauteilstruktur ein oder mehrere als Turbinenschaufel ausgebildete Bauteile aufweisen. Ebenso kann die Bauteilstruktur zur Anordnung in einem Übergangskanal ausgebildet sein und ein oder mehrere als Stützrippen (Hotstruts) ausgebildete Bauteile aufweisen. Stützrippen sind dabei üblicherweise länger als Turbinenschaufeln und müssen aufgrund ihrer Stützfunktion derart gestaltet sein, dass sie höhere Kräfte übertragen können. Besondere Vorteile werden dabei insbesondere bei gegossenen Stützrippen erzielt, bei denen üblicherweise große Rundungsradien im Bereich des Verkleidungsteils auftreten, so dass bei kleinen Streckungen (geringes Verhältnis Schaufelhöhe zu Sehnenlänge) ein starker Einfluss der Seitenwandbereiche auf Strömungsverluste und Wirkungsgrad besteht. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Bauteilstruktur als Verdichterbauteil auszubilden, um ein verbessertes Strömungsverhalten des Arbeitsfluids und eine entsprechende Wirkungsgradsteigerung zu erzielen.
• Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, umfassend wenigstens eine Bauteilstruktur, welche gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile gehen aus der Beschreibung des ersten Erfindungsaspekts hervor. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts sind dabei als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und den Ausführungsbeispielen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten und/oder alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Ausführungsbeispielen nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Dabei zeigt:
• 1 eine Aufsicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Bauteilstruktur, welche eine mit Stützrippen versehene Nabe umfasst, wobei berechnete Stromlinien eines Arbeitsfluids dargestellt sind;
• 2 eine ausschnittsweise rückwärtige Perspektivansicht einer mit einem Verkleidungsteil versehenen Hinterkante einer aus dem Stand der Technik bekannten Stützrippe im Anbindungsbereich an die Nabe;
• 3 eine schematische Seitenansicht einer Saugseite eines Bauteils mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verkleidungsteil, wobei zum Vergleich zusätzlich ein in die Hauptströmungsrichtung verzerrtes Verkleidungsteil skizziert ist;
• 4 eine Seitenansicht einer Druckseite des mit dem Verkleidungsteil versehenen Bauteils, wobei zum Vergleich zusätzlich das in die Hauptströmungsrichtung verzerrte Verkleidungsteil skizziert ist;
• 5 einen schematischen Querschnitt des Bauteils im Anbindungsbereich an die Nabe, wobei zum Vergleich zusätzlich das in die Hauptströmungsrichtung verzerrte Verkleidungsteil skizziert ist;
• 6 eine schematische Ansicht des Bauteils, das im Bereich seiner Hinterkante mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verkleidungsteil versehen ist, wobei zum Vergleich zusätzlich das in die Hauptströmungsrichtung verzerrte Verkleidungsteil skizziert ist;
• 7 einen schematischen Querschnitt des Bauteils im Anbindungsbereich an ein Wandelement, wobei zum Vergleich zusätzlich das in die Hauptströmungsrichtung verzerrte Verkleidungsteil skizziert ist;
• 8 einen schematischen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bauteils im Anbindungsbereich an ein Wandelement, wobei zum Vergleich zusätzlich das in die Hauptströmungsrichtung verzerrte Verkleidungsteil skizziert ist; und
• 9 eine schematische Ansicht des Bauteils, wobei Konturverläufe unterschiedlich verzerrter Verkleidungsteile dargestellt sind.
• 1 zeigt eine schematische Aufsicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Bauteilstruktur 10 für eine Turbine eines Flugtriebwerks. Die Bauteilstruktur 10 umfasst ein mit Bauteilen 12a, 12b versehenes Wandelement 14, das vorliegend als Nabe ausgebildet ist. Die Bauteile 12a, 12b sind im gezeigten Beispiel Stützrippen 12a, 12b, die auch als „Hotstruts“ bezeichnet werden können, und weisen bezüglich einer axialen Hauptströmungsrichtung I stromabliegende Hinterkanten 16 auf, an denen im Anbindungsbereich an die Nabe 14 jeweilige Verkleidungsteile 18 integral ausgebildet sind. Die Verkleidungsteile 18, die auch als Fillet bezeichnet werden, besitzen zumindest näherungsweise die Form einer konkaven Ausrundung. Anhand der berechneten Stromlinien, welche das Strömungsverhalten eines Arbeitsfluids der Strömungsmaschine kennzeichnen, erkennt man in der Strömungspassage zwischen benachbarten Stützrippen 12a, 12b eine Querströmung, die Grenzschichtmaterial weg von einer Druckseite 20 nach unten hin zu einer Saugseite 22 der Stützrippen 12a, 12b befördert. Mit anderen Worten strömen nabennahe druckseitige Strömungsanteile mit hoher Energie um die Hinterkanten 16 herum, welche die Saugseitenströmung am Rundungsradius der Verkleidungsteile 18 zum Ablösen bringen. Infolge des großen Rundungsradius der Verkleidungsteile 18 kommt es dort zu einer plötzlichen Erweiterung des Strömungsquerschnittes mit hoher Strömungsverzögerung, die die beschriebene Umströmung der jeweiligen Hinterkante 16 begünstigt und die Ablösung verstärkt.
• 2 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine ausschnittsweise rückwärtige Perspektivansicht der Stützrippe 12a im Anbindungsbereich an die Nabe 14, wobei das berechnete Strömungsverhalten des Arbeitsfluids erneut mit Hilfe von Strömungslinien kenntlich gemacht wurde. Man erkennt insbesondere die mit Pfeilen gekennzeichnete Querströmung, welche die Saugseitenströmung blockiert und zu Verzögerungen und Querströmen führt.
• 3 zeigt eine schematische Seitenansicht der Saugseite 22 eines exemplarisch als Stützrippe ausgebildeten Bauteils 12. 3 wird im Folgenden in Zusammenschau mit 4 und 5 erläutert werden, wobei 4 eine schematische Seitenansicht der Druckseite 20 des Bauteils 12 zeigt. Die Zeichenebenen der 3 und 4 sind dabei jeweils zum einen durch die Radialrichtung, d.h. die Richtung orthogonal zur Rotationsachse der Strömungsmaschine, und zum anderen durch die Komponente der Hauptströmungsrichtung I, welche orthogonal zu der Radialrichtung orientiert ist, definiert. Der Einfachheit halber ist die Ansicht der 4 im Vergleich zur Ansicht der 3 horizontal gespiegelt dargestellt. Die Hauptströmungsrichtung I entspricht im Wesentlichen einer Tangente an die Skelettlinie des Bauteils 12, welches insbesondere die Form eines Schaufelblattes aufweisen kann, im Bereich der jeweiligen Hinterkante 16 des Bauteils 12 (vgl. 1).
• 5 zeigt einen schematischen Querschnitt des Bauteils 12 im Anbindungsbereich an ein Wandelement 14. Dabei ist die Blickrichtung in 5 von radial außen nach radial innen. Die in 5 dargestellten Konturen sind der Einfachheit halber auf eine fiktive Ebene projiziert, welche orthogonal zu der Radialrichtung ausgerichtet ist. In 3 bis 5 ist jeweils neben einem aus dem Stand der Technik bekannten Verkleidungsteil 18 zusätzlich die Konturlinie eines in die Hauptströmungsrichtung I verzerrten Verkleidungsteils 24 gestrichelt dargestellt. Die Verkleidungsteile 18, 24 sind dabei zumindest im Wesentlichen spiegelsymmetrisch bezüglich einer radialen Mittelebene, welche in der Hauptströmungsrichtung I orientiert ist, ausgebildet. Man erkennt, dass eine axiale Länge x des erfindungsgemäßen Verkleidungsteils 24 in die Hauptströmungsrichtung I ab der Hinterkante 16 größer als eine radiale Höhe R_fil des Verkleidungsteils 24 entlang der Hinterkante 16 ist, während eine korrespondierende axiale Länge x’ des konventionellen Verkleidungsteils 18 zumindest im Wesentlichen seiner radialen Höhe R_fil entspricht. Mit anderen Worten ist das Verhältnis x’:R_fil etwa 1,0, während das Verhältnis x:R_fil > 1, also beispielsweise 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5 oder größer ist. Die strömungstechnisch verbesserte Form des Verkleidungsteils 24 bzw. seines Rundungsradius R (entspricht x) entsteht mit anderen Worten durch formales Verzerren des konventionellen Verkleidungsteils 18 in Richtung des Metallwinkels (in etwa die mittlere Abströmrichtung) an der Hinterkante 16 bzw. einer Skelettlinie des Bauteils 12 um das etwa 2- bis 5-Fache des Rundungsradius R’ des Verkleidungsteils 18, bevorzugt um das etwa 3-Fache. Der genaue Wert kann unter anderem von der zulässigen Belastung, dem verfügbaren Bauraum und dem Wunsch nach einer Beeinflussung des Strömungswinkels abhängig gemacht werden. Durch diese formale Verzerrung des Verkleidungsteils 24 und den damit verbundenen modifizierten Rundungsradius der resultierenden Ausrundung 24 werden Verzögerung und Umströmung reduziert, die Strömungsablösung wird verhindert, der Abströmwinkel wird homogenisiert und die Anströmung einer nächsten Schaufelreihe wird entsprechend verbessert.
• Die Verzerrung kann grundsätzlich auf einer durch die Seitenwand des Bauteils 12 definierten Oberfläche und/oder auf benachbarten Stromflächen, das heißt auf dem Wandelement 14 erfolgen. Das verzerrte Verkleidungsteil 24 besitzt seine maximale Länge x bzw. seinen maximalen Radius R in der Mitte unmittelbar am Wandelement 14, das heißt bei R_fil ≈ 0, wobei diese Mitte durch den Metallwinkel bzw. die Extrapolation der Skelettlinie des Verkleidungsteils 24 an der Hinterkante 16 definiert wird. Nach oben hin, das heißt entlang der radialen Höhe R_fil (in Hinterkanten- bzw. Bauteilhöhenrichtung) nimmt die axiale Länge x bzw. der Radius R gemäß einer geeigneten Funktion kontinuierlich bis auf Null ab, beispielsweise mit dem normierten örtlichen Wandabstand des Rundungsradius ∆r/R oder mit (∆r/R)ⁿ, wobei der bevorzugte Wert n = 2 beträgt. Auch zu den Saug- bzw. Druckseitenrändern hin nimmt die Verzerrung mit wachsendem Abstand auf null ab (s. 5).
• 6 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine weitere schematische Ansicht des Bauteils 12. Dabei ist das Wandungselement 14, welches in der Realität in der Regel in Umfangsrichtung gewölbt ausgeführt ist, eine nicht-symmetrische Konturierung aufweisen kann und zudem gegenüber der Axialrichtung der Strömungsmaschine häufig mit einem Winkel angestellt ist (vgl. 3 und 4), so dass sich eine Konus-artige Form ergibt, der Einfachheit halber als Ebene dargestellt (siehe Zeichenebene der 7), die orthogonal zur Radialrichtung der Strömungsmaschine orientiert ist. Der in 6 nach rechts weisende Pfeil x gibt dabei die Komponente der Hauptströmungsrichtung I in dieser Ebene an. Der in 6 nach oben weisende Pfeil r gibt die Radialrichtung der Strömungsmaschine an. Die Pfeile x und r kreuzen sich dort, wo die Mittelachse der Halbzylinder-förmigen Hinterkante 16 das Wandungselement 14 schneidet. In der Praxis kann ein Konstrukteur in einem durch die Pfeile x und r definierten Koordinatensystem arbeiten, um die Kontur der erfindungsgemäßen Bauteilstruktur 10 zu ermitteln, welche er anschließend durch einfache Transformation auf die tatsächlich vorhandene Gestalt des Wandungselements 14 übertragen kann.
• Die Hinterkante 16 des Bauteils 12 ist mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verkleidungsteil 18 versehen. 6 wird in Zusammenschau mit 7 erläutert werden, welche einen schematischen Querschnitt des Bauteils 12 im Anbindungsbereich an ein Wandelement 14 zeigt, wobei in 6 und 7 zum Vergleich zusätzlich das in die Hauptströmungsrichtung I verzerrte Verkleidungsteil 24 mit gestrichelten Linien skizziert ist. Beispielhaft wird dabei der vereinfachte Fall einer radial angeordneten Hinterkante 16 senkrecht zum ebenen Wandelement 14 diskutiert. In der Praxis kann natürlich auch die Hinterkante einen Winkel zur Radialrichtung der Strömungsmaschine aufweisen. Auch hier gilt wieder, dass ein Konstrukteur in einem durch die Pfeile x und r definierten Koordinatensystem arbeiten kann, um die Kontur der erfindungsgemäßen Bauteilstruktur 10 zu ermitteln, welche er anschließend durch einfache Transformation an die tatsächliche Ausrichtung der Hinterkante anpassen kann. Man erkennt, dass die Oberfläche des modifizierten Verkleidungsteils 24 als Funktion der Höhe r des Bauteils 12 bzw. des Abstands vom Wandelement 14 sowie des Winkels φ definiert werden kann. Der Winkel φ schließt dabei einen Winkelbereich um die Hinterkante 16 mit –90° ≤ φ ≤ +90° ein, wobei die Mitte der Hinterkante 16 den Winkel φ = 0° definiert. Wie aus 6 deutlich wird, gehorcht in dem Koordinatensystem der 6 und 7 jeder Punkt auf der an die Hinterkante 16 anschließenden Oberfläche des modifizierten Verkleidungsteils 24 den Formeln: X(φ, r) = x_Hk(φ) + ∆x(φ, r) + δx(φ, r), und Y(φ, r) = y_Hk(φ) + ∆y(φ, r), in welchen

X(φ, r)

die vom Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in x-Richtung der Oberfläche des modifizierten Verkleidungsteils 24 ist;

Y(φ, r)

die dazugehörige vom Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in Richtung y (orthogonal zur x-Richtung in der Bildebene der 7) der Oberfläche des modifizierten Verkleidungsteils 24 ist;

x_Hk(φ)

die vom Winkel φ abhängige Koordinate in x-Richtung der Oberfläche der Hinterkante 16 ist, wobei gilt: x_Hk(φ) = cos(φ)·R_Hk, mit dem Radius R_Hk der Hinterkante 16;

∆x(φ, r)

die vom Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in x-Richtung des hypothetischen Verkleidungsteils 18, dessen radiale Höhe R_fil seiner axialen Länge entspricht, ausgehend von der Oberfläche der Hinterkante 16 ist, wobei gilt:

• ∆x(φ, r) = cos(φ)·R_fil·(1 – [1 – (1 – r/R_fil)²]^1/2);

δx(φ, r)

die vom Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in x-Richtung der Oberfläche des Verkleidungsteils 24 ausgehend von der Oberfläche des Verkleidungsteils 18, wobei weiterhin die Formel gilt:

• δx(φ, r) = c₁·cos(φ)·R_fil·(1 – [1 – (1 – r/R_fil)²]^n/2), in welcher

  R

  _fil die (maximale) radiale Höhe der Verkleidungsteile 18, 24;

  c₁

  Skalar mit 1,5 ≤ c₁ ≤ 3,0; und

  n

  Verzerrungsparameter mit 1 ≤ n ≤ 3 bedeuten;

  y_Hk(φ)

  die vom Winkel φ abhängige Koordinate in y-Richtung der Oberfläche der Hinterkante 16 ist, wobei gilt: y_Hk(φ) = sin(φ)·R_Hk, mit dem Radius R_Hk der Hinterkante 16; und

  ∆y(φ, r)

  die vom Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in y-Richtung des hypothetischen Verkleidungsteils 18, dessen radiale Höhe R_fil seiner axialen Länge entspricht, ausgehend von der Oberfläche der Hinterkante 16, wobei gilt:

  ∆y(φ, r) = sin(φ)·R_fil·(1 – [1 – (1 – r/R_fil)²]^1/2).
• In der oben genannten Formel für δx(φ, r) gilt somit unmittelbar am Wandelement 14 (r = 0), wie in 7 gezeigt: δx(φ, 0) = c₁·∆x(φ, 0) = c₁·R_fil·cos(φ).
• 8 zeigt in der Weise wie 7 für r = 0 einen schematischen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bauteils 12 im Anbindungsbereich an ein Wandelement 14 und wird zusammen mit 9 erläutert werden, welche eine schematische Ansicht des Bauteils 12 in der Weise wie 6 für φ = 0 zeigt, wobei Konturverläufe unterschiedlich verzerrter Verkleidungsteile dargestellt sind. Der Rundungsradius ist dabei mit dem Faktor c₁ = 3 für unterschiedliche Exponenten n = 1 und 2 verzerrt. Alle Daten sind dimensionslos mit R_ref = R_fil + R_Hk, wobei

R_fil

den Radius bzw. die radiale Höhe des Verkleidungsteils 18; und

R_Hk

den Radius der Hinterkante 16

wieder bezeichnen. Im gezeigten Beispiel wurde dabei ein vergleichsweise großer Rundungsradius für das Verkleidungsteil 18 (engl. fillet) mit R_fil/R_Hk = 4 gewählt, wie er vor allem bei Stützrippen nach einer Hochdruckturbine aus thermischen Gründen sowie aus Festigkeitsgründen vorkommt.
• Durch eine formale Verzerrung in x- bzw. Hauptströmungsrichtung I des Verkleidungsteils 24, siehe 8, wird die Strömung nahe des Wandelements 14 verbessert und die Steifigkeit des Bauteils 12 an der Seitenwand erhöht. Zur Kontrolle der Verzögerung stromab des Rundungsradius kann die Verzerrung des Verkleidungsteils 24 mit der relativen Höhe r/R_fil des Rundungsradius auch mit einem Exponenten n mit 1 ≤ n ≤ 3 durchgeführt werden. Der bevorzugte Wert ist n = 2, welcher zum in 9 strichpunktiert gezeigten Konturverlauf des Verkleidungsteils 24 führt. Eine lineare Verzerrung mit n = 1 ist in 9 gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 24‘ gekennzeichnet. Die folgenden Tabellen 1 bis 3 geben verschiedene exemplarische winkel- und höhenabhängige Oberflächenkonturwerte für das Verkleidungsteil 24 bzw. 24‘ in Abhängigkeit unterschiedlicher Werte für den Exponenten n an. Aufgrund des spiegelsymmetrischen Aufbaus des Verkleidungsteils 24 bezüglich seiner Mittelebene gelten die für 0 ≤ φ ≤ 90° angegebenen Werte entsprechend auch für den Winkelbereich 0 ≥ φ ≥ –90°, wobei x_tr = x_HK(φ) + ∆x(φ, r) + δx(φ, r) ist. Somit entspricht der x_tr dem weiter oben definierten X(φ, r), wobei für jede nachfolgende Tabelle ein konstanter Wert für r gewählt worden ist und lediglich der Wert φ in Schritten von jeweils 10° von 0° bis 90° variiert wird. Tabelle 1: Konturwerte auf Höhe des Wandelements 14 (r = 0)

  r/Rfil	0
  			n = 1	n = 2
  φ	y/Rref	x/Rref	x_tr/Rref	x_tr/Rref
  0	0,000	1,000	3,250	3,250
  10	0,174	0,985	3,201	3,201
  20	0,342	0,940	3,054	3,054
  30	0,500	0,866	2,815	2,815
  40	0,643	0,766	2,490	2,490
  50	0,766	0,643	2,089	2,089
  60	0,866	0,500	1,625	1,625
  70	0,940	0,342	1,112	1,112
  80	0,985	0,174	0,564	0,564
  90	1,000	0,000	0,000	0,000

  Tabelle 2: Konturwerte auf der relativen Höhe r/R_fil = 0,25

  r/Rfil	0.25
  			n = 1	n = 2
  phi	y/Rref	x/Rref	x_tr/Rref	x_tr/Rref
  0	0.000	0.504	1.075	1.453
  10	0.088	0.496	1.059	1.431
  20	0.172	0.474	1.010	1.366
  30	0.252	0.436	0.931	1.258
  40	0.324	0.386	0.824	1.113
  50	0.386	0.324	0.691	0.934
  60	0.436	0.252	0.538	0.727
  70	0.474	0.172	0.368	0.497
  80	0.496	0.088	0.187	0.252
  90	0.504	0.000	0.000	0.000

  Tabelle 3: Konturwerte auf der relativen Höhe r/R_fil = 1

  r/Rfil	1
  			n = 1	n = 2
  φ	y/Rref	x/Rref	x_tr/Rref	x_tr/Rref
  0	0,000	0,250	0,250	0,250
  10	0,043	0,246	0,246	0,246
  20	0,086	0,235	0,235	0,235
  30	0,125	0,217	0,217	0,217
  40	0,161	0,192	0,192	0,192
  50	0,192	0,161	0,161	0,161
  60	0,217	0,125	0,125	0,125
  70	0,235	0,086	0,086	0,086
  80	0,246	0,043	0,043	0,043
  90	0,250	0,000	0,000	0,000

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

10

Bauteilstruktur

12

Bauteil

14

Wandelement

16

Hinterkante

18

Verkleidungsteil

20

Druckseite

22

Saugseite

24

Verkleidungsteil

I

Hauptströmungsrichtung

Claims (11)

1. Bauteilstruktur (10) für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk, mit wenigsten einem Bauteil (12), das eine bezüglich einer axialen Hauptströmungsrichtung (I) eines Arbeitsfluids der Strömungsmaschine stromabliegende Hinterkante (16) sowie ein Verkleidungsteil (24) umfasst, wobei das Bauteil (12) mit wenigstens einem Wandelement (14) der Bauteilstruktur (10) verbundenen ist und radial von diesem Wandelement (14) abragt, und wobei sich das Verkleidungsteil (24) im Anbindungsbereich des Bauteils (12) an das Wandelement (14) in die Hauptströmungsrichtung (I) von der Hinterkante (16) weg erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Länge (x) des Verkleidungsteils (24) in die Hauptströmungsrichtung (I) größer als eine radiale Höhe (R_fil) des Verkleidungsteils (24) ist.
2. Bauteilstruktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge (x) des Verkleidungsteils (24) mindestens dem 1,5-Fachen seiner radialen Höhe (R_fil) entspricht.
3. Bauteilstruktur (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkleidungsteil (24) integral mit dem Bauteil (12) ausgebildet oder als separat hergestelltes Teil mit dem Bauteil (12) und dem Wandelement (14) verbunden oder additiv, insbesondere durch Auftragsschweißen hergestellt ist.
4. Bauteilstruktur (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkleidungsteil (24) eine Ausrundung aufweist.
5. Bauteilstruktur (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenkontur der Ausrundung des Verkleidungsteils (24) mit einer Abweichung von maximal 0,25·R_fil der Gleichung (1) X(φ, r) = x_Hk(φ) + ∆x(φ, r) + δx(φ, r) (1) und der Gleichung (2) Y(φ, r) = y_Hk(φ) + ∆y(φ, r) (2) entspricht, in welchen X(φ, r) die von Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in x-Richtung der Oberfläche des modifizierten Verkleidungsteils (24) ist; Y(φ, r) die dazugehörige von Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in y-Richtung der Oberfläche des modifizierten Verkleidungsteils (24) ist; x_Hk(φ) die von Winkel φ abhängige Koordinate in x-Richtung der Oberfläche der Hinterkante (16) ist, wobei gilt: x_Hk(φ) = cos(φ)·R_Hk, mit dem Radius R_Hk der Hinterkante 16; ∆x(φ, r) die von Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in x-Richtung eines hypothetischen Verkleidungsteils (18), dessen radiale Höhe R_fil seiner axialen Länge entspricht, ausgehend von der Oberfläche der Hinterkante (16) ist, wobei gilt: ∆x(φ, r) = cos(φ)·R_fil·(1 – [1 – (1 – r/R_fil)²]^1/2); δx(φ, r) die von Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in x-Richtung der Oberfläche des Verkleidungsteils (24) ausgehend von der Oberfläche des hypothetischen Verkleidungsteils (18) ist, wobei weiterhin die Formel gilt: δx(φ, r) = c₁·cos(φ)·R_fil·(1 – [1 – (1 – r/R_fil)²]^n/2), in welcher R_fil die maximale radiale Höhe des hypothetischen Verkleidungsteils (18); c₁ Skalar mit 1,5 ≤ c₁ ≤ 3,0; und n Verzerrungsparameter mit 1 ≤ n ≤ 3 bedeuten; y_Hk(φ) die von Winkel φ abhängige Koordinate in y-Richtung der Oberfläche der Hinterkante (16) ist, wobei gilt: y_Hk(φ) = sin(φ)·R_Hk, mit dem Radius R_Hk der Hinterkante (16); und ∆y(φ, r) die vom Winkel φ und Position r abhängige Koordinate in y-Richtung des hypothetischen Verkleidungsteils (18), dessen radiale Höhe R_fil seiner axialen Länge entspricht, ausgehend von der Oberfläche der Hinterkante (16) ist, wobei gilt: ∆y(φ, r) = sin(φ)·R_fil·(1 – [1 – (1 – r/R_fil)²]^1/2).
6. Bauteilstruktur (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (12) an seinen gegenüberliegenden radialen Endbereichen mit jeweils einem Wandelement (14) verbunden ist.
7. Bauteilstruktur (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (12) zwei Verkleidungsteile (24) umfasst, die sich jeweils zur Vergleichmäßigung der Strömung des Arbeitsfluids im jeweiligen Anbindungsbereich des Bauteils (12) an das jeweilige Wandelement (14) in die Hauptströmungsrichtung (I) von der Hinterkante (16) weg erstrecken.
8. Bauteilstruktur (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrere voneinander beabstandet angeordnete und mit dem wenigstens einen Wandelement (14) verbundene Bauteile (12) umfasst.
9. Bauteilstruktur (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (14) eine Nabe ist.
10. Bauteilstruktur (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Turbinenbauteil und/oder als Verdichterbauteil ausgebildet ist.
11. Strömungsmaschine, insbesondere Flugtriebwerk, umfassend wenigstens eine Bauteilstruktur (10), welche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.

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