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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine.
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Stand der Technik
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Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft im Gaskanal des Verdichters komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Dabei entzieht die Turbine dem Heißgas anteilig auch Energie, um den Verdichter anzutreiben.
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Der vorliegende Gegenstand betrifft ein verstellbares Leitschaufelblatt, das um eine Drehachse drehbar an einer Gaskanalwand, die den Gaskanal bezogen auf die Längsachse der Strömungsmaschine radial begrenzt, angeordnet ist. Bezogen auf die Umströmung des Laufschaufelblatts ist die Drehachse in einem vorderen Abschnitt davon angeordnet (sie durchsetzt das Leitschaufelblatt). In einem hinteren Abschnitt des Leitschaufelblatts, also in einem Bereich an dessen Hinterkante, gibt es einen Spalt zwischen der Gaskanalwand und einer Deckfläche des Leitschaufelblatts. Je nachdem, welcher Aufhängungspunkt betrachtet wird, ist diese Deckfläche des Leitschaufelblatts nach radial außen gewandt (äußere Gaskanalwand) oder nach radial innen (innere Gaskanalwand).
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Leitschaufelanordnung mit einem verstellbaren Leitschaufelblatt anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit der Leitschaufelanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Deren Leitschaufelblatt ist an der den Spalt begrenzenden Deckfläche strukturiert, um eine im Betrieb durch einen Druckgradienten getriebene Spaltströmung zumindest zu verringern. Mit der Strukturierung wird eine aerodynamische Dichtung geschaffen, die einer Durchströmung des Spalts entgegenwirkt.
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Wenn das Leitschaufelblatt im Gaskanal umströmt wird, stellt sich zwischen Druck- und Saugseite ein Druckgradient ein. Infolgedessen kann sich durch den Spalt zwischen der Deckfläche und der Gaskanalwand eine Spaltströmung ausbilden, die das Leitschaufelblatt in dem axial hinteren Abschnitt unter- bzw. überströmt. Diese Spaltströmung ist im Wesentlichen orthogonal zur Schaufelsehne des Leitschaufelblatts gerichtet, sodass sich saugseitig eine starke Wechselwirkung mit der Hauptströmung im Gaskanal ergeben kann. Es kann sich ein Spaltwirbel bzw. ein Blockagegebiet ausbilden. In Abhängigkeit vom Impulsverhältnis zwischen Haupt- und Spaltströmung kann der Wirbel vergleichsweise weit in die Leitschaufelpassage hineinreichen, was zu erhöhten Verlusten und einer zunehmenden Fehlanströmung der nachfolgenden Schaufelreihen führen kann. Mit der strukturierten Deckfläche kann der Durchströmung des Spalts und den negativen Folgen daraus entgegengewirkt werden, was bspw. die Leitschaufelabströmung und damit die aerodynamische Stabilität verbessern kann.
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Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe beziehen sich die Konkretisierungen stets sowohl auf die Leitschaufelanordnung als auch auf einen axialen Verdichter mit einer solchen Leitschaufelanordnung, sowie auf entsprechende Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekte.
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Die Angaben „axial“, „radial“ und „umlaufend“, sowie die zugehörigen Richtungen (Axialrichtung etc.), beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung auf die Längsachse der Strömungsmaschine bzw. des Verdichtermoduls, um welche bspw. im Betrieb die Laufschaufelkränze rotieren. Die Angaben „vorne“/„vorderer“ bzw. „hinten“/„hinterer“ beziehen sich auf die Umströmung des Leitschaufelblatts im Gaskanal, also auf die Hauptströmung. Vorne meint also stromaufwärtig, hinten stromabwärtig. Um ein Unter- bzw. Überströmen des Leitschaufelblatts in dem axial vorderen Abschnitt zu verhindern, kann dieses dort auf einem Drehteller angeordnet sein. Die Begrenzung des Drehtellers auf den axial vorderen Abschnitt, infolge welcher sich der Spalt axial hinten ergibt, kann wegen der entsprechend geringeren Größe geometrisch von Vorteil sein, z. B. hinsichtlich der Staffelung umlaufend benachbarter Leitschaufelblätter.
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Die Strukturierung, mit der die aerodynamische Dichtung geschaffen wird, kann in der nach radial innen gewandten Deckfläche angeordnet sein oder in der nach radial außen gewandten Deckfläche, bevorzugt sind beide Deckflächen zur Ausbildung einer aerodynamischen Dichtung am jeweiligen Spalt strukturiert. Die Integration der aerodynamischen Dichtung in die Deckfläche und damit in das Leitschaufelblatt kann auch insoweit von Vorteil sein, als die Dichtung beim Verstellen des Leitschaufelblatts in Position bleibt, also mitwandert. Aus geometrischen Gründen kann sich dabei zwar die Spaltweite ändern, die Dichtung verbleibt aber am Spalt. Dies schließt eine zusätzliche Gehäusestrukturierung, also der inneren und/oder äußeren Gaskanalwand nicht aus, im Gegenteil kann mit der strukturierten Deckfläche das Potenzial einer Gehäusestrukturierung gesteigert werden (eine Gehäusestrukturierung zur Stabilisierung von Rotoren kann bspw. durch die Zunahme der radialen Strömungsumverteilung begrenzt sein, deren negativem Einfluss durch den vorliegenden Ansatz entgegengewirkt werden kann).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Deckfläche mit einer Nut strukturiert, die in einem zur Schaufelblattsehne senkrechten Schnitt betrachtet eine Einbuchtung bildet. Diese Einbuchtung reicht im Falle der äußeren Deckfläche nach radial innen, im Falle der inneren Deckfläche nach radial außen. Die Schaufelblattsehne wird hierbei in einem Tangentialschnitt zugrunde gelegt, der radial auf Höhe der Deckfläche liegt. Wie im Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, wird in die Nut einströmendes Spaltfluid dort umgelenkt und verwirbelt, was dem Strömungspfad durch den Spalt entgegengesetzte Richtungsanteile und damit eine Blockage ergibt.
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In bevorzugter Ausgestaltung kann die Einbuchtung im Schnitt betrachtet ein polygonförmiges, also mehrseitiges Profil haben, besonders bevorzugt ein rechteckförmiges Profil. Eine solche, geometrisch vergleichsweise einfache Strukturierung kann z. B. hinsichtlich der Herstellbarkeit von Vorteil sein, nämlich bspw. ein spanendes Einbringen der Nut vereinfachen.
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Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform hat die Nut ein asymmetrisches Profil, hat nämlich im Schnitt betrachtet die Einbuchtung eine steile und eine flache Flanke. Bezogen auf einen Strömungspfad in dem Spalt, der von der Saug- zur Druckseite verläuft, folgt dabei die steile auf die flache Flanke. Entlang der flachen Flanke kann das Spaltfluid gut in die Einbuchtung einströmen, die steile Flanke bewirkt dann eine Richtungsumkehr und damit Verwirbelung, schafft also die Blockage bzw. aerodynamische Dichtung im Spalt.
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Im Schnitt betrachtet schließt dabei die flache Flanke mit dem Strömungspfad bevorzugt einen spitzen Winkel ein; dieser Winkel wird als Freiwinkel, also von der Flanke weg durch die Einbuchtung zum Strömungspfad genommen (nicht durch das Material). Der Winkel, den die steile Flanke mit dem Strömungspfad einschließt, ist jedenfalls größer, in bevorzugter Ausgestaltung ist es ein stumpfer Winkel (wiederum als Freiwinkel von der Flanke weg durch die Einbuchtung genommen). Die steile Flanke bildet also bezogen auf die Radialrichtung eine Hinterschneidung, was die Blockage bzw. Verwirbelung des Spaltfluids weiter begünstigen kann. Im Schnitt betrachtet kann die Einbuchtung somit ein halbherzförmiges Profil haben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Einbuchtung im Schnitt betrachtet in die Druckseitenfläche des Leitschaufelblatts hinein. Bildlich gesprochen ist dort die Außenkante (äußere Deckfläche) bzw. Innenkante (innere Deckfläche) der Druckseitenfläche im Vergleich zu der entsprechenden Kante der Saugseitenfläche etwas angehoben, ist also ihr Abstand zur jeweiligen Gaskanalwand etwas größer. Dies kann für sich betrachtet eine Einströmung druckseitig erhöhen, infolge der resultierenden Verwirbelung und damit Blockage jedoch die aerodynamische Dichtung verbessern. Eine entsprechend angehobene Druckseitenfläche kann auch mit einer Polygon- bzw. rechteckförmigen Nut kombiniert werden, bevorzugt betrifft sie jedoch eine Einbuchtung mit steiler und flacher Flanke, wobei sich letztere in die Druckseitenfläche hinein erstreckt.
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Trotz des einseitig größeren Abstands zur Gaskanalwand wird die minimale Spaltweite nicht größer, sie bleibt jedenfalls in der Saugseitenfläche, mitunter auch im Spalt selbst erhalten. Generell ist die Strukturierung bevorzugt derart vorgesehen bzw. dahingehend von Vorteil, dass die minimale Spaltweite im Vergleich zu einer Deckfläche ohne Strukturierung beibehalten werden kann. Bezogen auf den Strömungspfad ist die Strukturierung nur in einem Bereich des Spalts vorgesehen, bspw. in Form der Nut.
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Bislang wurde vorrangig auf das Profil der Nut im Schnitt, nämlich die Einbuchtung Bezug genommen. In ihrer Längenerstreckung verläuft die Nut in bevorzugter Ausgestaltung entlang der Schaufelblattsehne, folgt sie also in dem hinteren Abschnitt entlang der Sehne der Krümmung. Bezogen auf eine entlang der Schaufelblattsehne genommene Spaltlänge erstreckt sich die Nut bevorzugt über mindestens 60 %, 70 % bzw. 80 % der Spaltlänge; sie kann sich auch über den gesamten Spalt (100 %) erstrecken, es können aber auch Obergrenzen bei bspw. 95 % oder 90 % liegen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Deckfläche mit einer Wabenstruktur strukturiert. Diese Wabenstruktur ist in einer Radialansicht zu erkennen, von außen (äußere Deckfläche) oder innen (innere Deckfläche). Die Wabenstruktur ist zum Spalt hin offen, bildet also eine Vielzahl jeweils zum Spalt hin geöffneter Kavitäten. Bezogen auf den Strömungspfad werden diese bevorzugt von Trennwänden separiert, diese können bspw. in Form eines Honigwabenmusters angeordnet sein (radial gesehen).
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In bevorzugter Ausgestaltung ist zumindest das Leitschaufelblatt ein generativ gefertigtes Bauteil, das schichtweise aus einem zuvor formlosen bzw. -neutralen Stoff aufgebaut ist bzw. wird, bspw. in einem Pulverbettverfahren. Ebenso betrifft die Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Mit der generativen Herstellung sind auch vergleichsweise komplexe Geometrien möglich, sodass sich die vorliegend beschriebenen Strukturierungen gut in das Leitschaufelblatt integrieren lassen. Alternativ kann bspw. auch zunächst das Leitschaufelblatt hergestellt und anschließend die Strukturierung eingebracht werden, bspw. spanend (das Leitschaufelblatt kann dann bspw. auch gegossen werden). Ferner kann bspw. auch ein Ansetzabschnitt mit der Strukturierung als gesondertes Teil hergestellt werden, z. B. generativ, und kann der Ansetzabschnitt dann an das zuvor für sich hergestellte Leitschaufelblatt angesetzt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verdichtermodul mit einer vorliegend offenbarten Leitschaufelanordnung, ferner betrifft sie ein Flugtriebwerk mit einem solchen Verdichtermodul.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 ein Mantelstromtriebwerk in einem schematischen Schnitt;
- 2 eine Leitschaufelanordnung mit einer verstellbaren Leitschaufel auf einem Drehteller in einer Schrägansicht;
- 3 eine verstellbare Leitschaufel in einer Umlaufprojektion;
- 4 einen Tangentialschnitt durch das Leitschaufelblatt gemäß 3 zur Illustration einer Spaltströmung;
- 5 eine erste Möglichkeit zur Strukturierung einer Deckfläche des Leitschaufelblatts zur Erzeugung einer Strömungsblockage;
- 6 eine zweite Möglichkeit zur Strukturierung der Deckfläche des Laufschaufelblatts;
- 7 eine dritte Möglichkeit zur Strukturierung der Deckfläche des Leitschaufelblatts;
- 8 eine vierte Möglichkeit zur Strukturierung der Deckfläche des Leitschaufelblatts.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 im Schnitt, konkret ein Strahltriebwerk (Mantelstromtriebwerk). Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Modulen aufgebaut, der Verdichter 1a vorliegend aus einem Niederdruck- 1aa und einem Hochdruckverdichter 1ab. Jeder Verdichter 1aa, 1ab ist seinerseits aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich in der Regel aus einem Laufschaufelkranz und einem Leitschaufelkranz zusammen. Im Betrieb wird der Verdichter 1a bezogen auf eine Längsachse 2 axial von dem Verdichtergas 3, vorliegend Luft, durchströmt, und zwar in einem Verdichtergaskanal 4. Dabei wird das Verdichtergas 3 komprimiert, in der Brennkammer 1b wird dann Kerosin hinzugemischt und wird diese Mischung verbrannt.
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2 zeigt eine Leitschaufelanordnung 20 mit einer Leitschaufel 21, die an einer Gaskanalwand 22 angeordnet ist. Die Leitschaufel 21 ist um eine Drehachse 23 drehbar gelagert, sie sitzt auf einem Drehteller 24, der in eine Ausnehmung 25 in der Gaskanalwand 22 eingesetzt ist. Die Drehachse 23 ist in einem axial vorderen Abschnitt 30 des Leitschaufelblatts 21 angeordnet, dieser sitzt auf Drehteller 24. Ein axial hinterer Abschnitt 31 steht nach hinten über, zwischen der Gaskanalwand 22 und der entsprechenden Deckfläche 32 des Leitschaufelblatts 21 gibt es einen Spalt 33.
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Wie die schematische Umlaufprojektion gemäß 3 illustriert, ist das Leitschaufelblatt 21 sowohl an der radial inneren Gaskanalwand 22.1 als auch an der radial äußeren Gaskanalwand 22.2 entsprechend drehbar gelagert, gibt es also radial innen einen Spalt 33.1 und radial außen einen Spalt 33.2. Der vorliegende Gegenstand kann sowohl die radial innere Deckfläche 32.1 als auch die radial äußere Deckfläche 32.2 betreffen.
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Wie in 4 illustriert, die das Leitschaufelblatt 21 in einem Tangentialschnitt zeigt, stellt sich aufgrund des Druckgradienten zwischen der Saugseitenfläche 35 und der Druckseitenfläche 36 des Leitschaufelblatts 21 eine Spaltströmung 37 durch den Spalt 33 ein. Diese unter- bzw. überströmt das Leitschaufelblatt 21 im Wesentlichen orthogonal zur Schaufelsehne, saugseitig kommt es zu einer Interaktion mit der Hauptströmung 38. In der Folge können sich ein Teilspaltwirbel sowie ein Blockagegebiet 39 ausbilden, was hohe Verluste und Fehlanströmungen zur Folge haben kann.
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Um dem vorzubeugen, ist die Deckfläche 32 des Leitschaufelblatts strukturiert, nämlich bei den Varianten gemäß den 5-7 jeweils mit einer sich entlang der Schaufelsehne erstreckenden Nut 50 versehen. Diese bildet im Schnitt betrachtet eine Einbuchtung 51, in welche die Spaltströmung 37 eintritt, was zu der schematischen angedeuteten Verwirbelung führt. Es wird eine aerodynamische Dichtung geschaffen, das Unter- bzw. Überströmen kann zumindest verringert werden. Bei der Variante gemäß 5 hat die Einbuchtung 51 ein rechteckförmiges Profil und lässt sich vergleichsweise einfach spanend einbringen.
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Bei der Variante gemäß 6 hat die Nut 50 bzw. Einbuchtung 51 ein asymmetrisches Profil, nämlich eine flache Flanke 60 und eine steile Flanke 62. Die flache Flanke 60 schließt mit einem Strömungspfad 65 der Spaltströmung 37 einen spitzen Winkel 61 ein, die steile Flanke 62 hingegen einen stumpfen Winkel 63. Entlang der flachen Flanke 60 kann das Spaltfluid gut in die Einbuchtung 51 einströmen, die steile Flanke 62 erlegt ihm eine dem Strömungspfad 65 entgegengesetzte Richtungskomponente auf.
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Auch bei der Variante gemäß 7 wird die Einbuchtung von einer flachen Flanke 60 und einer steilen Flanke 62 gebildet. Zusätzlich erstreckt sich die Einbuchtung 51 in die Druckseitenfläche 36 hinein, öffnet sie sich also dieser Seite hin. Dementsprechend ist ein Abstand 70 zwischen einer Kante 36.1 der Druckseitenfläche 36 und der Gaskanalwand 22 größer als der Abstand 71 zwischen der Kante 35.1 der Saugseitenfläche 35 und der Gaskanalwand 22. Das Spaltfluid kann gut einströmen, wird verwirbelt und schafft so die Strömungsblockage.
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Bei der Variante gemäß 8 bildet eine Wabenstruktur 80 die Strukturierung der Deckfläche 32. Es sind also eine Vielzahl, jeweils zum Spalt 33 hin offene Kavitäten 81 vorgesehen, in denen sich die Spaltströmung 37 verfängt, was den Blockageeffekt schafft. In radialer Richtung gesehen können die Kavitäten 81 bspw. einem Honigwabenmuster folgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungsmaschine
- 1a
- Verdichter
- 1b
- Brennkammer
- 1c
- Turbine
- 2
- Längsachse
- 3
- Verdichtergas
- 4
- Verdichtergaskanal
- 20
- Leitschaufelanordnung
- 21
- Leitschaufelblatt
- 22
- Gaskanalwand
- 22.1
- innere Gaskanalwand
- 22.2
- äußere Gaskanalwand
- 23
- Drehachse
- 24
- Drehteller
- 25
- Ausnehmung
- 30
- Axial vorderer Abschnitt
- 31
- Axial hinterer Abschnitt
- 32
- Deckfläche
- 32.1
- innere Deckfläche
- 32.2
- äußere Deckfläche
- 33
- Spalt
- 33.1
- innerer Spalt
- 33.2
- äußerer Spalt
- 35
- Saugseitenfläche
- 35.1
- Kante
- 36
- Druckseitenfläche
- 36.1
- Kante
- 37
- Spaltströmung
- 38
- Hauptströmung
- 39
- Blockagegebiet
- 50
- Nut
- 51
- Einbuchtung
- 60
- flache Flanke
- 61
- Spitzer Winkel
- 62
- steile Flanke
- 63
- Stumpfer Winkel
- 65
- Strömungspfad
- 70
- Abstand
- 71
- Abstand
- 80
- Wabenstruktur
- 81
- Kavitäten
