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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). Um ein Unter- bzw. Überströmen des Leitschaufelblatts zu verhindern, ist dieses in dem axial vorderen Abschnitt typischerweise auf einem Drehteller angeordnet, der zur Vermeidung von Strömungsverlusten in die Gaskanalwand eingelassen sein kann. Aufgrund geometrischer Randbedingungen, z. B. wegen der Staffelung umlaufend benachbarter Leitschaufelblätter, kann ein solcher Drehteller aber nicht beliebig groß werden. Dementsprechend gibt es jedenfalls in einem hinteren Abschnitt des Leitschaufelblatts, also in einem Bereich an dessen Hinterkante, einen Spalt zwischen der Gaskanalwand und einer Deckfläche des Leitschaufelblatts. Je nachdem, welcher Aufhängungspunkt betrachtet wird, ist diese Deckfläche 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 mit einem Fluidkanal im Inneren vorgesehen, der zum Durchströmen mit einem Fluid ausgelegt ist. Er mündet in einer zum Einblasen des Fluids in den Gaskanal vorgesehenen Einblasöffnung. Diese ist in der Saugseitenfläche des Leitschaufelblatts angeordnet, und zwar bezogen auf die Umströmung des Leitschaufelblatts im Gaskanal vor dem Spalt zwischen der Deckfläche des Leitschaufelblatts und der Gaskanalwand.
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Im Betrieb, wenn das Leitschaufelblatt im Gaskanal umströmt wird, stellt sich zwischen Druck- und Saugseite ein Druckgradient ein. Infolgedessen bildet sich durch den Spalt zwischen der Deckfläche und der Gaskanalwand eine Spaltströmung aus, 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 ergibt. 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 erfindungsgemäß saugseitig dem Spalt vorgelagert angeordneten Einblasöffnung kann das Spaltfluid hingegen umgelenkt werden, wodurch sich das Eindringen des Spaltwirbels in die Leitschaufelpassage und auch eine Strömungsverzögerung saugseitig am Spalt verringern lassen. Dies kann bspw. die Leitschaufelabströmung und damit die aerodynamische Stabilität verbessern.
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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.
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Im Allgemeinen kann die saugseitige Einblasung auch mit einer aktiven Kanalstruktur realisiert werden, also mit einer aktiven Druckbeaufschlagung außerhalb des Leitschaufelblatts bzw. Gaskanals. Bevorzugt ist der Fluidkanal jedoch passiv, wird also seine Absaugöffnung aufgrund eines Druckgradienten im Betrieb aus dem Gaskanal gespeist. Das Fluid wird also getrieben durch den Druckgradienten an einer Stelle aus dem Gaskanal abgezweigt (Absaugöffnung) und in/an der Saugseitenfläche wieder eingeblasen (Einblasöffnung). Bevorzugt ist das Fluid aus dem Gaskanal abgesaugtes Verdichterfluid, insbesondere Verdichterluft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Absaugöffnung dem Spalt zugeordnet, nämlich in der Deckfläche des Leitschaufelblatts. Damit kann zumindest ein Teil des druckseitig in den Spalt eintretenden Spaltfluids aus dem Spalt abgesaugt werden. Es wird also der Anteil des Spaltfluids, der saugseitig, gewinkelt zu der Hauptströmung eintritt und mit dieser wechselwirkt, zumindest reduziert. Der aus dem Spalt abgezweigte Teil des Fluids wird dann saugseitig über die Einblasöffnung eingeblasen, stört also die Hauptströmung deutlich weniger. Die in der Deckfläche angeordnete Absaugöffnung ist bevorzugt näher an der Druckseitenfläche als an der Saugseitenfläche platziert. Der Fluidkanal kann sich von der Absaugöffnung weg nach vorne bis zu einem Umkehrpunkt erstrecken, der vor der Einblasöffnung liegt, und von dort dann nach hinten zu der Einblasöffnung verlaufen.
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Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform ist die Absaugöffnung des Fluidkanals in der Druckseitenfläche des Leitschaufelblatts angeordnet. Diese druckseitige Absaugöffnung wird bevorzugt stromauf der Einblasöffnung platziert, in einem Tangentialschnitt betrachtet hat der Fluidkanal dann bevorzugt einen S-förmigen Verlauf. Damit kann einerseits druckseitig eine möglichst verlustfreie Absaugung erreicht werden, wobei andererseits die tangentiale Einblasung saugseitig eine gute Beschleunigung bzw. Umlenkung der Spaltströmung ergibt.
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Unabhängig davon, ob die Absaugöffnung der Druckseite oder dem Spalt zugeordnet ist, mündet der Fluidkanal an der Einblasöffnung in bevorzugter Ausgestaltung unter einem Winkel von höchstens 30° zur Saugseitenfläche. Weitere bevorzugte Obergrenzen liegen bei höchstens 20° bzw. 10°, mögliche Untergrenzen bspw. bei mindestens 3° bzw. 5°. Betrachtet wird hierbei jeweils der Winkel zwischen einer Mittenachse des Fluidkanals in der Einblasöffnung und einer an der Einblasöffnung in die Saugseitenfläche gelegten Ebene (der Winkel bzw. die Mittenachse weist nach hinten, also stromabwärts). Vereinfacht zusammengefasst ist eine möglichst tangentiale Einblasung bevorzugt, weil dies die Umlenkung des Spaltfluids maximieren bzw. die Wechselwirkung mit der Hauptströmung minimieren kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mündet der Fluidkanal an der Einblasöffnung verkippt zur Axialrichtung. Dies bezieht sich auf eine Umlaufprojektion, also eine Projektion in Umlaufrichtung in eine die Längsachse der Strömungsmaschine beinhaltende Ebene. Dabei ist der Fluidkanal zur Gaskanalwand hin verkippt, also nach radial innen im Falle der inneren Gaskanalwand oder nach radial außen im Falle der äußeren Gaskanalwand. Das Fluid kann damit verstärkt in Richtung des Spalts eingeblasen werden, was eine vorteilhafte Ablenkung der Spaltströmung ergeben kann.
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Die Einblasöffnung ist in bevorzugter Ausgestaltung vergleichsweise nah an der Gaskanalwand angeordnet, also an der inneren Gaskanalwand (innere Deckfläche) oder der äußeren Gaskanalwand (äußere Deckfläche). Die Einblasöffnung soll hierbei von der entsprechenden Gaskanalwand einen Abstand von höchstens 30 % einer radialen Schaufelblatthöhe haben. Bezogen auf eine von radial innen (0 %) nach radial außen (100 %) genommene radiale Schaufelblatthöhe soll die Öffnung also zwischen 0 % und 30 % im Falle der inneren Gaskanalwand oder zwischen 70 % und 100 % im Falle der äußeren Gaskanalwand angeordnet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Einblasöffnung zwischen 20 % und 80 % einer axialen Sehnenlänge des Leitschaufelblatts, die von axial vorne (0 %) nach axial hinten (100 %) genommen wird. Die axiale Sehnenlänge wird in einer Tangentialebene auf der radialen Höhe der Einblasöffnung betrachtet und ergibt sich als Axialabstand zwischen einer axial vorne und einer axial hinten an das Schaufelblattprofil gelegten Tangente (die Tangenten liegen jeweils senkrecht zur Axialrichtung). Besonders bevorzugt liegt die Einblasöffnung zwischen 25 % und 75 % der axialen Sehnenlänge.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fluidkanal zumindest an der Einblasöffnung segmentiert, also in mehrere Einblasöffnungsbereiche untergliedert. Diese Untergliederung besteht bevorzugt in radialer Richtung, die Einblasöffnungsbereiche sind also radial aufeinanderfolgend angeordnet.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist zumindest das Leitschaufelblatt ein generativ gefertigtes Bauteil, das also schichtweise aus einem zuvor formlosen bzw. -neutralen Stoff aufgebaut ist bzw. wird, bspw. in einem Pulverbettverfahren. Ebenso betrifft die Erfindung eine entsprechende Herstellung. Mit der generativen Herstellung sind auch vergleichsweise komplexe Geometrien möglich, sodass sich die vorliegend beschriebenen Kanalstrukturen gut in das Leitschaufelblatt integrieren lassen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verdichtermodul mit einer vorliegend offenbarten Leitschaufelanordnung, insbesondere ein Verdichtermodul eines Flugtriebwerks. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Verdichtermoduls bzw. der Leitschaufelanordnung, wobei das Fluid den Fluidkanal durchströmt und durch die Einblasöffnung dem Spalt vorgelagert saugseitig in den Gaskanal eingeblasen wird.
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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 Axialschnitt;
- 2 eine verstellbare Leitschaufel mit erfindungsgemäßer Kanalstruktur in einer Schrägansicht;
- 3 einen schematischen Tangentialschnitt durch ein Leitschaufelblatt zur Illustration der Funktion der Kanalstruktur gemäß 2;
- 4 ein weiteres verstellbares Leitschaufelblatt mit einer erfindungsgemäßen Kanalstruktur in einer Schrägansicht;
- 5 einen Tangentialschnitt durch das Leitschaufelblatt gemäß 4.
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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 Hochdruckverdichtermodul 1ab. Jedes Verdichtermodul 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 einem Leitschaufelblatt 21, das an einer Gaskanalwand 22 angeordnet ist. Das Leitschaufelblatt ist um eine Drehachse 23 verdrehbar gelagert, es sitzt auf einem Drehteller 24, der in eine Ausnehmung 25 in der Gaskanalwand 22 eingesetzt ist. Auch am radial entgegengesetzten, in der Darstellung oberen Ende ist das Leitschaufelblatt 21 drehbar an einer Gaskanalwand gelagert, was der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Die Drehachse 23 ist in einem axial vorderen Abschnitt 30 des Leitschaufelblatts 21 angeordnet, dieser sitzt auf dem 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 in 3 illustriert, stellt sich aufgrund des Druckgradienten zwischen der Saugseitenfläche 35 und der Druckseitenfläche 36 des Leitschaufelblatts 21 durch den Spalt 33 eine Spaltströmung 37 ein. Diese unterströmt das Schaufelblatt 21 im Wesentlichen orthogonal zur Schaufel sehne, 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 das Leitschaufelblatt 21, wie aus 2 ersichtlich, mit einem Fluidkanal 40 vorgesehen, der in einer Einblasöffnung 41 in die Saugseitenfläche 35 mündet. Die Einblasöffnung ist dem Spalt 33 vorgelagert, das tangential zur Saugseitenfläche 35 in den Gaskanal 42 eingeblasene Fluid 43 lenkt die Spaltströmung 37 um, vergleiche auch 3 zur Illustration. Der Fluidkanal 40 wird druckseitig gespeist, die Absaugöffnung 44 ist stromauf in der Druckseitenfläche 36 angeordnet. Dort strömt das Fluid 43 aufgrund des Druckgradienten zwischen der Saugseitenfläche 35 und Druckseitenfläche 36 in den Fluidkanal 40 ein. Vorliegend ist der nabenseitige Spalt 33 gezeigt und mit dem Fluidkanal 40 versehen, auf gleiche Weise kann jedoch auch der gehäuseseitige Spalt mit einem Fluidkanal versehen werden (alternativ oder zusätzlich), vgl. auch die Beschreibungsleitung.
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4 zeigt eine weitere Leitschaufelanordnung 20, wobei in der Saugseitenfläche 35 des Leitschaufelblatts 21 wiederum eine Einblasöffnung 41 angeordnet ist. Es wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen, dieselben Bezugszeichen betreffen Teile mit derselben Funktion. Im Unterschied zu 2 wird der Fluidkanal 40 des Leitschaufelblatts 21 gemäß 4 über eine Absaugöffnung 54 gespeist, die nicht in der Druckseitenfläche 36, sondern in der Deckfläche 32 des Leitschaufelblatts 21 angeordnet ist. Die Absaugöffnung 54 ist dem Spalt 33 zugeordnet, es wird also ein Teil der Spaltströmung 37 abgezweigt, sodass saugseitig bereits eine geringere Fluidmenge aus dem Spalt 33 austritt. Der verbleibende, austretende Teil wird mit dem eingeblasenen Fluid 43 umgelenkt.
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5 zeigt einen Tangentialschnitt durch das Leitschaufelblatt 21 gemäß 4, die Schnittebene liegt radial zwischen dem oberen Ende der Einblasöffnung 41 und dem Spalt 33. Die Darstellung illustriert schematisch die Richtungsumkehr des Fluids 43 in dem Kanal 40, die Einblasöffnung 41 kann auch axial weiter hinten, also näher an dem Spalt 33 angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungsmaschine
- 1a
- Verdichter
- 1b
- Brennkammer
- 1c
- Turbine
- 1aa
- Niederdruckverdichtermodul
- 1ab
- Hochdruckverdichtermodul
- 2
- Längsachse
- 3
- Verdichtergas
- 4
- Verdichtergaskanal
- 20
- Leitschaufelanordnung
- 21
- Leitschaufelblatt
- 22
- Gaskanalwand
- 23
- Drehachse
- 24
- Drehteller
- 25
- Ausnehmung
- 30
- Axial vorderer Abschnitt
- 31
- Axial hinterer Abschnitt
- 32
- Deckfläche
- 33
- Spalt
- 35
- Saugseitenfläche
- 36
- Druckseitenfläche
- 37
- Spaltströmung
- 38
- Hauptströmung
- 39
- Blockagegebiet
- 40
- Fluidkanal
- 41
- Einblasöffnung
- 42
- Gaskanal
- 43
- Fluid
- 44
- Absaugöffnung
- 54
- Absaugöffnung
