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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul 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 vom Verdichter 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. Die Turbine und der Verdichter sind i.d.R. jeweils mehrstufig aufgebaut, wobei eine Stufe jeweils einen Leit- und einen Laufschaufelkranz aufweist.
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Die vorliegende Erfindung hat ein Modul mit einer Leitschaufelanordnung und einem Dichtungsträger zum Gegenstand. Die Leitschaufeln der Leitschaufelanordnung erstrecken sich radial zwischen einer radial äußeren Außenplattform und einer radial inneren Innenplattform. Der Dichtungsträger ist radial innerhalb dieser Innenplattform angeordnet, er bildet einen Teil des sogenannten Inner-Air-Seal (IAS). Der Dichtungsträger hilft Gasverluste zu verringern bzw. vermeiden, was den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine betreffend von Vorteil ist. Es soll ein möglichst großer Teil bzw. soweit möglich das gesamte Fluid bzw. Gas den Gaskanal der Strömungsmaschine durchströmen.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Modul für eine Strömungsmaschine anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Modul gemäß Anspruch 1 gelöst. Bei diesem sind der Dichtungsträger und die Leitschaufelanordnung mittels einer ersten und einer zweiten Dichtungsträgerwand relativ zueinander montiert, wozu die Dichtungsträgerwände miteinander axial einen Zwischenraum begrenzen, in den die Leitschaufelanordnung von radial außen mit einem oder zwei Führungszapfen eingreift. Dabei ist die zweite Dichtungsträgerwand mehrstückig zu der ersten Dichtungsträgerwand vorgesehen, also als zuvor gesondertes Teil mit der ersten Dichtungsträgerwand zusammengesetzt und daran befestigt. Diese Befestigung ist mit einem Verbindungselement realisiert, wobei ein in dem Zwischenraum angeordneter Gleitkörper die Dichtungsträgerwände in dem definierten Abstand hält, sodass diese den Zwischenraum begrenzen. Die zweite Dichtungsträgerwand ist zwar über den Gleitkörper und das Verbindungselement an der ersten Dichtungsträgerwand und damit auch am Dichtungsträger befestigt, dabei hat aber ein radial innerer Abschnitt der zweiten Dichtungsträgerwand relativ zum Dichtungsträger noch axialen oder radialen Kontakt.
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Der radial innere Abschnitt soll an dem Dichtungsträger reibschlüssig anliegen (siehe unten im Detail), ist aber bspw. nicht stoffschlüssig damit verbunden. Dadurch können sich bspw. Spannungen in den Bauteilen, insbesondere in dem Dichtungsträger, reduzieren lassen, es muss z. B. kein Montagespiel durch Verformungen geschlossen werden. Die Mehrstückigkeit der Dichtungsträgerwände kann bspw. hinsichtlich der Herstellung von Vorteil sein, weil etwa zum Vergleich bei zwei monolithisch mit dem Dichtungsträger ausgebildeten Dichtungsträgerwänden und einer materialabtragenden Herstellung der Zwischenraum durch einen vergleichsweise tiefen Einstich freigelegt werden müsste. Unabhängig davon kann die Mehrstückigkeit auch Möglichkeiten bei der Materialwahl bzw. -stärke eröffnen, kann die zweite Dichtungsträgerwand nämlich z. B. dünner und insbesondere in Form eines Blechs vorgesehen werden, wird also Spielraum für eine Gewichtsoptimierung geschaffen.
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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 dem Modul und der Strömungsmaschine bzw. entsprechenden Verfahren oder Verwendungen unterschieden wird. Die Offenbarung ist hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
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Generell beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung „axial“ bzw. „Axialrichtung“ auf die Längsachse des Moduls, also die Längsachse der Strömungsmaschine. Diese Längsachse kann bspw. mit einer Rotationsachse zusammenfallen, um welche die der Leitschaufelanordnung zugeordneten Laufschaufeln im Betrieb rotieren. „Radial“ betrifft die dazu senkrechten, von der Längsachse weg weisenden Radialrichtungen, und der „Umlauf“ bzw. die „Umlaufrichtung“ beziehen sich auf eine Drehung um die Längsachse. „Innere“ und „äußere“ beziehen sich ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe auf die Radialrichtung, „innen“ ist also der Längsachse näher als „außen“. Sofern auf einen Axialschnitt Bezug genommen wird, betrifft dies eine die Längsachse beinhaltende Schnittebene.
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Bezogen auf eine Durchströmung des Gaskanals des Moduls mit dem Arbeitsgas, welches bspw. die Laufschaufelblätter der Laufschaufelanordnung umströmt, meint „vorne“ stromauf und „hinten“ stromab. In bevorzugter Ausgestaltung ist die erste Dichtungsträgerwand vorne und die zweite Dichtungsträgerwand hinten angeordnet, also die erste stromauf und die zweite stromab. Im Folgenden wird weiterhin auf die erste und zweite Dichtungsträgerwand Bezug genommen, ist „erste“ aber zugleich immer auch auf „vordere“ und „zweite“ auf „hintere“ zu lesen.
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Der Dichtungsträger kann radial innen bspw. ein Dichtungselement tragen, welches nach innen zu einer Dichtstruktur, etwa Dichtspitze, hin dichten kann, die im Betrieb gemeinsam mit der Welle bzw. den Laufschaufeln rotiert. Als Dichtungselement kann z. B. eine Bürstendichtung oder eine sogenannte Honigwabendichtung bzw. in allgemeinen Worten ein Einlaufbelag vorgesehen sein. Wie nachstehend im Detail erläutert, kann die erste Dichtungsträgerwand bevorzugt monolithisch mit dem Dichtungsträger ausgebildet sein, wobei die beiden in einem Axialschnitt betrachtet dann insbesondere eine T-Form bilden können (die erste Dichtungsträgerwand also zu den axialen Enden des Dichtungsträgers beabstandet ist).
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Bei dem Verbindungselement kann es sich im Allgemeinen bspw. auch um eine Schraube bzw. einen Schraubbolzen handeln, bevorzugt wird es jedoch in Form eines Niets realisiert. Unabhängig davon können die Dichtungsträgerwände über den Umlauf verteilt mit mehreren Verbindungselementen (und Gleitkörpern) aneinander befestigt sein, und diese Gleitkörper können insbesondere eine sog. Speichenzentrierung bilden, siehe unten im Detail. Generell sind „ein“ und „eine“ im Rahmen dieser Offenbarung ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe als unbestimmte Artikel und damit immer auch als „mindestens ein“ und „mindestens eine“ zu lesen.
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Der „radial innere Abschnitt“ der zweiten Dichtungsträgerwand kann insbesondere radial innerhalb des Verbindungselements liegen bzw. am radial inneren Ende der zweiten Dichtungsträgerwand ausgebildet sein. Dabei besteht eine reibschlüssige Anlage, ist die zweite Dichtungsträgerwand also zwar mit einer Anpresskraft in Anlage an dem Dichtungsträger gehalten, dabei aber nicht form- und/oder stoffschlüssig in dieser Anlage fixiert. Die reibschlüssige Anlage, die mit einer gewissen Vorspannung realisiert ist, kann bspw. hinsichtlich einer Dämpfung von Vorteil sein, etwa Schwingungen des Dichtungsträgers reduzieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die reibschlüssige Anlage als radiale Anlage zwischen einer der ersten Dichtungsträgerwand zugewandten Seitenfläche der zweiten Dichtungsträgerwand und einer Anlagefläche des Dichtungsträgers ausgebildet. Bevorzugt ist diese Anlagefläche an einer Stufe in einer nach außen gewandten Oberseitenfläche des Dichtungsträgers ausgebildet, wobei das radial innere Ende der zweiten Dichtungsträgerwand nicht aufsitzt. Stattdessen ist zwischen der Oberseitenfläche und diesem Ende ein Spalt ausgebildet, der das radiale Spiel erlaubt. Die zweite Dichtungsträgerwand und der Dichtungsträger liegen dann bevorzugt ausschließlich in der Anlagefläche an der Stufe aneinander an, es gibt also keine weitere(n) Anlagefläche(n).
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Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der radial innere Abschnitt der zweiten Dichtungsträgerwand in einem Axialschnitt betrachtet schräg nach radial innen, also anteilig axial und radial. Bevorzugt ist eine schräge Erstreckung nach innen und dabei zugleich von der ersten Dichtungsträgerwand weg. Der schräge innere Abschnitt kann als Federelement agieren, also eine gewisse Anpresskraft sicherstellen.
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In bevorzugter Ausgestaltung liegt die zweite Dichtungsträgerwand dabei ausschließlich mit ihrem radial inneren Ende an dem Dichtungsträger an und erstreckt sich der schräge radial innere Abschnitt abgesehen davon frei, also von der Oberseitenfläche des Dichtungsträgers beabstandet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist an zumindest einer der Dichtungsträgerwände ein Dichtsteg angeordnet, der sich in einem Axialschnitt betrachtet von dieser zumindest einen Dichtungsträgerwand und dem Zwischenraum weg erstreckt. Im Falle der ersten/vorderen Dichtungsträgerwand erstreckt sich der Dichtsteg also nach axial vorne, wohingegen er sich im Falle der zweiten/hinteren Dichtungsträgerwand nach axial hinten von dieser wegerstreckt. Der Dichtsteg bildet gemeinsam mit der Innenplattform der Leitschaufelanordnung eine sogenannte Labyrinth- bzw. Fischmauldichtung. Diese kann anteilig auch gemeinsam mit der Innenplattform einer im Falle des vorderen Dichtstegs unmittelbar vorgelagerten oder im Falle des hinteren Dichtstegs unmittelbar nachgelagerten Laufschaufelanordnung gebildet werden. Die Innenplattform der Laufschaufelanordnung kann dann auf einer Radialposition zwischen der Innenplattform und dem Dichtsteg angeordnet sein.
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Zusammengefasst ist bevorzugt an der vorderen Dichtungsträgerwand ein vorderer Dichtsteg angeordnet und/oder an der hinteren Dichtungsträgerwand ein hinterer Dichtsteg, besonders bevorzugt beides.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Dichtsteg mehrstückig zu der Dichtungsträgerwand vorgesehen und über das Verbindungselement an der Dichtungsträgerwand befestigt. Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere die hintere Dichtungsträgerwand betreffen kann, ist der Dichtsteg monolithisch mit der Dichtungsträgerwand geformt, also integral aus demselben durchgehenden Material. Ist die zweite Dichtungsträgerwand als Blech vorgesehen (siehe unten im Detail), kann bspw. ein radial äußerer Abschnitt davon entsprechend gebogen sein (und sich in einem Axialschnitt betrachtet zumindest anteilig axial erstrecken). Dabei sind auch Kombinationen möglich, es kann also bspw. der vordere Dichtsteg mehrstückig vorgesehen und mit dem Verbindungselement an der vorderen Dichtungsträgerwand befestigt sein, wobei der hintere Dichtsteg entweder ebenfalls zur hinteren Dichtungsträgerwand mehrstückig oder in eben geschilderter Weise monolithisch damit ausgebildet ist.
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Im Allgemeinen kann der Gleitkörper bspw. auch monolithisch mit einer der Dichtungsträgerwände vorgesehen sein, also der ersten oder insbesondere zweiten Dichtungsträgerwand. In bevorzugter Ausgestaltung ist er jedoch mehrstückig zu den Dichtungsträgerwänden und durchsetzt ihn das Verbindungselement axial. Letzteres ist auch im Falle einer monolithischen Ausführung bevorzugt, aber nicht zwingend. Das Verbindungselement, das den mehrstückigen Gleitkörper durchsetzt, hält diesen radial formschlüssig zwischen den Dichtungsträgerwänden, und der Gleitkörper wird dann bspw. noch zusätzlich axial geklemmt.
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In bevorzugter Ausgestaltung hat die zweite Dichtungsträgerwand eine geringere Dicke als die erste Dichtungsträgerwand, wird also die Mehrstückigkeit zur Gewichtsoptimierung genutzt. Die Dicken werden dabei jeweils in einem Axialschnitt betrachtet, wobei im Falle einer über die Erstreckung der jeweiligen Dichtungsträgerwand variierenden Dicke ein Mittelwert zugrunde gelegt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Dichtungsträgerwand aus einem Blech gebildet, was eine besonders dünne Ausgestaltung und/oder einfache Herstellung erlauben kann. Das Blech kann im Allgemeinen in Umlaufrichtung segmentiert, also mehrteilig vorgesehen sein. Bevorzugt ist jedoch eine in Umlaufrichtung durchgehende, also nicht geteilte/segmentierte Ausgestaltung.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist die erste Dichtungsträgerwand in bevorzugter Ausgestaltung monolithisch mit dem Dichtungsträger geformt, also aus demselben unterbrechungsfrei durchgehenden Material. Da die zweite Dichtungsträgerwand gesondert angesetzt wird und der Zwischenraum somit nicht bei der Herstellung des Dichtungsträgers berücksichtigt werden muss, kann die monolithische Herstellung von Dichtungsträger und erster Dichtungsträgerwand vereinfacht sein, bspw. durch Guss erfolgen.
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Der Führungszapfen, mit dem die Leitschaufelanordnung in den Zwischenraum eingreift, erstreckt sich von ihrer Innenplattform nach radial innen. Bezogen auf die Umlaufrichtung liegt der Führungszapfen bevorzugt an dem Gleitkörper an, also umlaufseitig. In bevorzugter Ausgestaltung umschließt er den Gleitkörper gemeinsam mit einem weiteren Führungszapfen, der an der in Umlaufrichtung entgegengesetzten Seite des Gleitkörpers anliegt. Dieser ist also zwischen den Führungszapfen gehalten, was auch als Tang („Zange“) bezeichnet wird. Die Führungszapfen und der Gleitkörper können noch radial aneinander gleiten, wobei es umlaufend verteilt mehrere entsprechend gehaltene Gleitkörper gibt, die Anordnung also eine Speichenzentrierung darstellt.
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Die Erfindung betrifft auch eine Turbine für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk, die ein vorliegend offenbartes Modul aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels 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 Strahltriebwerk in einem Axialschnitt;
- 2 ein erstes erfindungsgemäßes Modul mit einer Leitschaufelanordnung und einem Dichtungsträger in einem Axialschnitt;
- 3 ein zweites erfindungsgemäßes Modul mit Leitschaufelanordnung und Dichtungsträger;
- 4 ein drittes erfindungsgemäßes Modul mit Leitschaufelanordnungen und Dichtungsträger;
- 5 ein viertes erfindungsgemäßes Modul mit Leitschaufelanordnung und Dichtungsträger;
- 6 ein fünftes erfindungsgemäßes Modul mit Leitschaufelanordnung und Dichtungsträger.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 in schematischer Ansicht, konkret ein Strahltriebwerk. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Dabei sind sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Im Falle der Turbine 1c ist der Laufschaufelkranz jeweils stromab des zugeordneten Leitschaufelkranzes angeordnet. Im Betrieb rotieren die Laufschaufeln um die Längsachse 2.
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2 zeigt als Modul 20 einen Ausschnitt der Turbine 1c, wiederum in einem Axialschnitt. Im Detail ist eine Leitschaufelanordnung 21 mit einem Leitschaufelblatt 21a und einer Innenplattform 21b, sowie einem Führungszapfen 21c zu erkennen. Das Leitschaufelblatt 21a ist radial außen an der Innenplattform 21b angeordnet, der Führungszapfen 21c erstreckt sich radial innerhalb davon in einen Zwischenraum 22 hinein. Dieser Zwischenraum 22 wird axial zwischen einer ersten, vorderen Dichtungsträgerwand 31 und einer zweiten, hinteren Dichtungsträgerwand 32 begrenzt. Die erste Dichtungsträgerwand 31 liegt bezogen auf eine Durchströmung 15 des Moduls 20 stromauf und die zweite Dichtungsträgerwand 32 stromab.
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Die erste Dichtungsträgerwand 31 ist monolithisch mit einem Dichtungsträger 41 ausgebildet, die beiden können bspw. als Gussteil hergestellt sein. An dem Dichtungsträger 41 ist radial innen ein Dichtungselement 42 vorgesehen, bspw. eine Honigwabendichtung. Das Dichtungselement 42 dichtet gegen eine Dichtstruktur 43, die vorliegend nur schematisch als Kontur dargestellt ist und im Betrieb gemeinsam mit der Welle rotiert.
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Die zweite Dichtungsträgerwand 32 ist mehrstückig zur ersten Dichtungsträgerwand 31 vorgesehen und über ein Verbindungselement 35 daran befestigt, vorliegend einen Niet. Das Verbindungselement 35 durchsetzt einen Gleitkörper 36, der die Dichtungsträgerwände 31, 32 in dem definierten Axialabstand hält. Die zweite Dichtungsträgerwand 32, konkret ein radial innerer Abschnitt 32.1 davon, liegt zwar mit einer der ersten Dichtungsträgerwand 31 zugewandten Seitenfläche 32a an dem Dichtungsträger 41 an, hat dabei aber radiales Spiel. Dies wird durch eine reibschlüssige axiale Anlage an einer in der Oberseitenfläche 41a des Dichtungsträgers 41 ausgebildeten Stufe 45 erreicht, wobei trotz dieser Anlage noch ein Spalt 46 zwischen der zweiten Dichtungsträgerwand 32 und der Oberseitenfläche 41a verbleibt.
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3 zeigt eine zu 2 alternative Bauform, wobei in der folgenden Darstellung vorrangig die Unterschiede betont werden und im Übrigen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird. Generell bezeichnen im Rahmen dieser Offenbarung die gleichen Bezugszeichen gleiche Teile bzw. Teile mit gleicher Funktion und wird insofern immer auch auf die Beschreibung zu den jeweilig anderen Figuren verwiesen. Auch bei der Variante gemäß 3 liegt die zweite Dichtungsträgerwand 32 reibschlüssig an dem Dichtungsträger 41 an, allerdings im Unterschied zu 2 nicht axial, sondern radial. Der innere Abschnitt 32.1 erstreckt sich schräg zur hier nicht dargestellten Längsachse nach innen und liegt lediglich mit seinem radial inneren Ende 32.1.1 an der Oberseitenfläche 41a (nur in 2 aber nicht in 3 mit einem Bezugszeichen referenziert) des Dichtungsträgers 41 an.
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Im Folgenden werden von der Variante gemäß 3 ausgehend abgewandelte Bauformen beschrieben, wobei diese Abwandlungen ebenso auf Grundlage der Variante gemäß 2 realisiert werden können (was aber nicht im Einzelnen dargestellt ist). Der Übersichtlichkeit halber sind in 4 weniger Bezugszeichen als in 3 dargestellt, das Modul 20 ist aber insoweit analog aufgebaut. Zusätzlich ist in 4 an der ersten Dichtungsträgerwand 31 ein vorderer Dichtsteg 51 befestigt und ist an der zweiten Dichtungsträgerwand 32 ein hinterer Dichtsteg 52 befestigt.
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Die Dichtstege 51, 52 sind als zur jeweiligen Dichtungsträgerwand 31, 32 mehrstückige Teile angesetzt und über das Verbindungselement 35 daran befestigt. Der vordere Dichtsteg 51 bildet gemeinsam mit der Innenplattform 21b und einer Innenplattform 55 (nur schematisch als Kontur dargestellt) der vorgelagerten Laufschaufelanordnung eine Labyrinthdichtung 61, ebenso bildet der hintere Dichtsteg 52 gemeinsam mit der Innenplattform 21b der Leitschaufelanordnung 21 und der Innenplattform 56 (nur schematisch als Kontur dargestellt) der nachgelagerten Laufschaufelanordnung eine Labyrinthdichtung 62.
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Die Variante gemäß 5 unterscheidet sich von jener nach 4 nur in der Realisierung des hinteren Dichtstegs 72, der in diesem Fall monolithisch mit der zweiten Dichtungsträgerwand 32 ausgebildet ist. Diese Bauform kann bspw. durch entsprechendes Biegen eines Bleches realisiert werden.
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Die Variante gemäß 6 entspricht hinsichtlich des vorderen Dichtstegs 51 den 4 und 5, ist jedoch als vereinfachte Bauform ohne hinteren Dichtsteg ausgeführt.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Strömungsmaschine
- 1a
- Verdichter
- 1b
- Brennkammer
- 1c
- Turbine
- 2
- Längsachse
- 15
- Durchströmung
- 20
- Modul
- 21
- Leitschaufelanordnung
- 21a
- Leitschaufelblatt
- 21b
- Innenplattform
- 21c
- Führungszapfen
- 22
- Zwischenraum
- 31
- Erste, vordere Dichtungsträgerwand
- 32
- Zweite, hintere Dichtungsträgerwand
- 32.1
- Radial innerer Abschnitt
- 32.1.1
- Radial inneres Ende
- 32a
- Seitenfläche
- 35
- Verbindungselement
- 36
- Gleitkörper
- 41
- Dichtungsträger
- 41a
- Oberseitenfläche
- 42
- Dichtungselement
- 43
- Dichtstruktur
- 45
- Stufe
- 46
- Spalt
- 51
- vorderer Dichtsteg
- 52
- hinterer Dichtsteg
- 55
- Innenplattform
- 56
- Innenplattform
- 61
- Labyrinthdichtung
- 62
- Labyrinthdichtung
- 72
- hinterer Dichtsteg
