EP1382855A2 - Turbomachine with integrated fluid recirculation system - Google Patents

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EP1382855A2
EP1382855A2 EP03011631A EP03011631A EP1382855A2 EP 1382855 A2 EP1382855 A2 EP 1382855A2 EP 03011631 A EP03011631 A EP 03011631A EP 03011631 A EP03011631 A EP 03011631A EP 1382855 A2 EP1382855 A2 EP 1382855A2
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EP
European Patent Office
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fluid
blade
stator
rotor
flow path
Prior art date
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Granted
Application number
EP03011631A
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German (de)
French (fr)
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EP1382855A3 (en
EP1382855B1 (en
Inventor
Volker Dr.-Ing. Gümmer
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP1382855A2 publication Critical patent/EP1382855A2/en
Publication of EP1382855A3 publication Critical patent/EP1382855A3/en
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Publication of EP1382855B1 publication Critical patent/EP1382855B1/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02Surge control
    • F04D27/0207Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • F04D29/324Blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542Bladed diffusers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/66Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/68Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/681Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/682Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps by fluid extraction
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    • F04D29/66Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
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    • F04D29/681Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/684Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps by fluid injection

Definitions

  • the invention relates to a fluid flow machine with an integrated fluid circulation system.
  • the aerodynamic load capacity of components of a fluid flow machine for example, wind instruments, compressors, Pumps and fans, through the growth and the separation of profile boundary layers on the blade surfaces and the sidewall boundary layers on the hub and the housing are formed, limited.
  • a suction on rotors and stators and a derivative of the Fluids to a location outside the flow paths of the flow machine show US 2,720,356 and US 5,904,470, EP 1 013 937 A2 and DE 1 815 229 A.
  • a continuous recirculation of fluid between axial gap and blade row is known from DE 1 428 188 A, while a recirculation of blade row to blade row in US 2,749,027, US 2,933,238 and US 2,870,957.
  • the invention is based on the object, a fluid flow machine to create, which in a simple structure, lower Number of parts and cost-effective manufacturability while avoiding the disadvantages of the prior art a particular has high aerodynamic load.
  • the present invention relates to fluid flow machines like blowers, compressors, pumps and fans in axial, semi-axial or radial design with gaseous or liquid working medium (fluid).
  • the flow machine consists of one or more stages. Each stage usually includes a rotor and a stator, in some cases exists only a rotor.
  • the rotor consists of one Number of blades connected to the rotating shaft of the Turbomachine are connected and energy to the working fluid submit.
  • the rotor can be with or without shroud on be executed outer blade end.
  • the stator is in turn from a number of fixed blades, either on both ends with shroud or hub side with free Can be performed blade end.
  • the flow machine is usually surrounded by a housing, in others Cases (eg in propellers or propellers) exists no housing.
  • the turbomachine can be a stator before the first rotor (leading wheel). Alternatively to this can be rotatably mounted at least one stator or Vorleitrad be and for adjustment an accessible from outside the housing Spindle have. In a special embodiment can the turbomachine also at least one row having adjustable rotors.
  • said turbomachine in multistage have two opposite waves, so that the rotor blade rows from stage to stage the Change the direction of rotation. There are no stators between successive rotors.
  • the Fluid flow machine such a bypass configuration have that the single-flow annular channel behind a the blade row divides into two concentric ring channels, which in turn accommodate at least one row of blades each.
  • At least one blade row (rotor or stator) of the fluid flow machine both a device for removing fluid from the main flow path as also a device for supplying fluid into the main flow path provided (bifunctional flow control). At least one exists in connection with the removal device a conduit for returning the withdrawn fluid a further upstream location on the main flow path.
  • the supply device is connected to at least one line connected to the from a further downstream position Fluid is returned at the main flow path.
  • the central object of the invention is thus an integrated System for continuous fluid circulation, which is a bifunctional Flow control on at least one row of blades allows and therefore, in terms of concept, the effectiveness and the reuse along several stages the fluid flow machine of the prior art differentiates known solutions.
  • At least one blade row of the Turbomachine both at least one device for fluid withdrawal as well as at least one device for Provided fluid supply to Schaufelkanalbeskynden surfaces.
  • this feature is over several Blade rows such that a means for fluid removal on at least one blade of at least one stator or Rotor row via at least one line to a device to the fluid supply opens, located at an upstream Place the flow path on at least one blade of at least one stator or rotor row is located.
  • the inventively provided lines can either a allow free flow of the fluid or alternatively with a fixed or variably controllable throttle body provided be.
  • the line to the collection of withdrawn fluid quantities of individual blades of the fluid flow machine with a preferably on the periphery of the main flow path, in which individual lines lead or from which or the go out several lines.
  • a supply chamber be provided. Both the discharge chamber and the supply chamber serve to equalize the fluid flow and a corresponding, if necessary Pressure compensation.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the Prior art known solutions for fluid removal or Fluid supply. It can be seen that a blow-off of fluid either from a rotor or a stator (rotor or stator blade) done away from the flow machine. There An auxiliary pump 3 can be used. Furthermore is it is known from an external source, for example one To supply auxiliary pump, a rotor or stator fluid.
  • Fig. 2 describes further solutions according to the prior Technology. These include recirculation between axial gaps, the recirculation between axial gap and blade row (rotor or stator), as well as the recirculation between rows of blades (Rotor or stator).
  • Fig. 3 shows the scope of the present invention to clarify some possible configurations of the Main flow path of the flow machine according to the invention with integrated fluid circulation system.
  • Fig. 4 shows the definitions of the invention used Concept of "shovel-channel-limiting surfaces". there is, as is apparent from the caption of Fig. 4, a different arrangement and dimensioning of the individual Areas provided.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a possible Embodiment of the inventive concept with a continuous Fluid circulation. It can be seen that here Circulation lines alternately between rotors 1 and stators 2 are provided to the blade rows according to the invention To give bifunctionality.
  • the fluid removal and supply can either on a rotor or on a stator (or on a respective Shovel thereof), wherein the fluid by in detail not shown recesses in blades of the rotor or stator enters or exits.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a possible Embodiment of the inventive concept with a continuous Fluid circulation. It can be seen that here Circulation lines alternately between rotors 1 and stators 2 are provided to the blade rows according to the invention To give bifunctionality.
  • the fluid removal and supply can either on a rotor or on a stator (or on a respective Shovel thereof), wherein the fluid by in detail not shown recesses in blades of the rotor or stator enters or exits.
  • a throttle body 5 which optionally variably adjustable is to the inventive design to different Adjust operating conditions of the turbomachine to be able to.
  • the removal of fluid from the flow path the Strömungsarbeitsmaschine by Schaufelkanalbeskynde Surfaces on at least one blade at least a rotor or stator row 1, 2 connected to a collection and guiding the fluid to at least one further upstream located blade row, connected to a supply of the Fluids in the flow path of the fluid flow machine through blade channel limiting surfaces on at least one Blade of a rotor or stator row 1 or 2. It takes place the transfer of the fluid from the sampling point to the feed point by means of the line 4 at free line / chamber flow cross-section or in a restricted manner via an optionally modulatable throttle element 5 in the transfer path or in the line 4.
  • the circulation system always in such a way that at least one Blade of a rotor or stator row by simultaneous Presence of a donor site and a feeding site one bifunctional flow influencing possible, and thus bifunctionality is made.
  • Schaufelkanalbeskyinsky surfaces are as shown in Fig. 4, all surfaces of a Shovel itself (suction side, pressure side, front edge and Trailing edge), surfaces on the hub and housing of the turbomachine with a location between the leading and trailing edges of the considered blade row, surfaces on hub or Housing with fixed connection to the blade (blade platforms, Shrouds, blisk or bling configurations) between a location 25% of the local meridional blade chord length (CmG or CmN) located in front of the leading edge and the leading edge itself, surfaces on the hub or housing without a fixed connection to the bucket (free rotor or stator ends) between one Location 35% of the local meridional blade chord length (CmG or CmN) located in front of the leading edge and the leading edge even.
  • CmG or CmN local meridional blade chord length
  • FIGS. 6 and 7 received.
  • Fig. 6 shows an on or in a not further detail illustrated housing of the flow machine trained Fluid discharge chamber 6 with arbitrary shape, which is connected to the line 4 and at least one Opening on blade channel limiting surfaces at least a blade of a stator or a stator 2 in conjunction stands. Furthermore, it can be seen that the line 4 is formed in the region of the housing and a transfer path forms. It is at least one line 4 and / or one Discharge chamber 6 is provided. The line 4 opens into an or located on the housing fluid supply chamber 7, which in terms their dimensioning and shaping ausgestaltbar is and communicates with at least one opening on one shovel channel limiting surface at least one Blade of a further upstream stator row or a stator 2.
  • the bifunctionality has at least one blade at least one the integrated into the fluid circulation system stator rows a Number of openings on the shroud-channel limiting surfaces of which a part with a discharge chamber 6 and the remaining part is connected to a supply chamber 7.
  • FIG. 6 shows in their lower half of the illustration a variant embodiment, in which the discharge chamber 6, the lines 4 and the Supply chamber 7 individual rotor rows are assigned.
  • the wires 4 are in this case in or on the rotor drum or formed the hub of the rotor.
  • Bifunctionality has at least one scoop at least one of the integrated into the fluid circulation system Rotor rows a number of openings on Schaufelkanalbegrenzenden Surfaces on, of which a part with a discharge chamber 6 and the remaining part with a supply chamber. 7 connected is.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment in which a fluid discharge chamber located in or on the rotor drum 6 selectable shape is associated with at least one Opening on a blade channel limiting surface at least a blade of a row of stator 2. Furthermore, a in the rotor drum 1 located transfer path (line 4) from at least one line and / or a chamber selectable Form provided, which communicates with fluid discharge chamber 6. In or on the rotor drum is a fluid supply chamber 7 selectable shape formed, which in conjunction is at least one opening at a Schaufelkanalbegrenzenden Surface of at least one blade of a further upstream stator row 2.
  • Fig. 7 shows an alternative or additional Embodiment in which a located in or on the housing Fluid discharge chamber 6 selectable shape with at least an opening on a blade channel limiting surface at least one blade of a rotor row 1 in conjunction stands.
  • a transfer path (line 4) is formed. This includes, as with the others Embodiments, at least one line and / or a Chamber of selectable shape, which is associated with at least an opening on Schaufelkanalbeskynden surfaces at least one blade of a further upstream Rotor series 1.
  • the bifunctionality has at least one blade at least one of in the fluid circulation system integrated rotor rows a number of openings on Schaufelkanalbeskynden surfaces of which a part with a discharge chamber 6 and the remaining part with a supply chamber 7 is ally.
  • Fig. 8 shows an embodiment with a variable Stator vane of a stator 2, which is also a Vorleitschaufel can be.
  • This invention has the above-described bifunctional construction.
  • the stator blade consists of a profiled airfoil and one connected to this Spindle passing through the housing of the fluid flow machine leads to the outside and there the connection to any Adjustment mechanism allows.
  • the spindle 8 is at its own Axis rotatably mounted on or in the housing and has a any cross-sectional profile along its axis.
  • the Spindle is hollow inside and points along its entire length or over parts of their length two next to each other or into each other lying on channels.
  • One of said channels of the spindle 8 serves the fluid supply to the blade and has for this purpose a side or head-side inlet, which is the inflow from the fluid supply chamber 7 allows.
  • this spindle channel is at least one cavity in the blade interior with at least one opening on surfaces the variable stator blade in connection.
  • the other one said Spindle channels has at least one cavity in the Bucket interior with at least one opening on surfaces of variable stator blade in conjunction.
  • This spindle channel serves the fluid discharge from the blade and has to this Purpose a side or head outlet, which is the outflow in the fluid discharge chamber 6 allows. Warehousing the spindle 8 in the housing can be either directly or via at least a slide bushing done. In the embodiment shown a total of three bushings are provided.
  • a variable, bifunctional stator blade according to the invention in addition to the Spindle with storage on the housing another, internal Spindle with storage in a fixed area on the hub the Strömungsarbeitsmaschine have. Then it can be beneficial be the fluid drain via an outward to the housing leading spindle channel and a related Allow discharge chamber on the housing, but the fluid supply via a coming from the hub spindle and a channel to ensure that it is connected to the hub. It may also be advantageous to supply the fluid via a coming from the housing spindle and a channel to allow a communicating supply chamber on the housing but the fluid drainage via an inward leading to the hub Spindle channel and an associated discharge chamber to ensure at the hub.
  • the fluid circulation system according to the invention operates continuously active and leads over a wide operating range of Turbomachine to a strong increase in aerodynamic Resilience.
  • the embodiment of the invention provides a significant tighter dimensioning of the entire turbomachine.
  • the fluid circulation system according to the invention is self-driving and does not require energy from outside the flow machine. Through the complete internal circulation of fluid becomes a fluid mass loss between inlet and outlet of the fluid flow machine avoided. It will thus be an effective reuse the extracted fluid elsewhere in the fluid flow machine allows.
  • the invention further has the advantage that in particular by the bifunctionality of the invention or one several rows of blades a very intensive exchange of fluid reached between Schaufelkanalbeskynden surfaces becomes, so the surfaces, which are relevant to the boundary layer structure and involved in the loss generation in the machine are.
  • the systematic repetition along the steps of Turbomachine as well as the mesh of one or the other multiple fluid removal / supply schemes is the cause of Achieving a greatly increased aerodynamic resilience all blade rows of the turbomachine (rotors and stators).
  • the flow machine can be maintained while maintaining or improve the efficiency of up to 2% the number the built-in parts by about 50% compared to a conventional Lower built flow working machine. This is a Cost reduction by around 20% achievable.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

The machine which operates with a fluid flow, e.g. at a blower or compressor or fan or pump and the like, has at least one rotor (1) and a freely-selected number of stators (2) in the fluid flow path, with at least one paddle. A system to extract and return fluid into the flow path is at the surface defining the paddle channel, in a bi-functional structure, with at least one feedback channel (4) with throttles (5) to return extracted fluid to an upstream position in the flow path, and at least one additional channel to lead fluid out of a downstream position in the flow path. The fluid can be a gas or a liquid.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsarbeitsmaschine mit einem integrierten Fluidzirkulationssystem.The invention relates to a fluid flow machine with an integrated fluid circulation system.

Die aerodynamische Belastbarkeit von Bauelementen einer Strömungsarbeitsmaschine, beispielsweise Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren, wird durch das Wachstum und die Ablösung von Profilgrenzschichten an den Schaufeloberflächen und den Seitenwandgrenzschichten, die auf der Nabe und dem Gehäuse ausgebildet sind, begrenzt.The aerodynamic load capacity of components of a fluid flow machine, for example, wind instruments, compressors, Pumps and fans, through the growth and the separation of profile boundary layers on the blade surfaces and the sidewall boundary layers on the hub and the housing are formed, limited.

Der Stand der Technik zeigt für Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren nur bedingt Konzepte zur internen Führung eines an besonders vorteilhaften Stellen abgesaugten Fluids und dessen Wiederzuführung an besonders vorteilhaften Stellen in den Hauptströmungspfad.The state of the art shows for fans, compressors and pumps Fans only conditionally concepts for internal guidance of a sucked on particularly advantageous places fluid and its Re-feeding at particularly advantageous locations in the Main flow path.

In den meisten Fällen zeigt der Stand der Technik Lösungen, bei denen eine abgesaugte Fluidmenge entweder unter Ausnutzung eines bestehenden Druckgefälles oder mit Hilfe einer externen Pumpe dauerhaft vom Hauptströmungspfad des Fluids entfernt wird. Dies geschieht entweder am Axialspalt zwischen zwei Schaufelreihen oder an Oberflächen der Schaufelreihe selbst. Auch existieren Lösungen, bei denen Fluid am Axialspalt oder einer Schaufelreihe von externer Quelle zugeführt wird.In most cases, the prior art shows solutions, in which an extracted fluid amount either under utilization an existing pressure gradient or with the help of an external pressure gradient Pump permanently removed from the main flow path of the fluid becomes. This happens either at the axial gap between two Blade rows or on surfaces of the blade row itself. There are also solutions in which fluid at the axial gap or a blade row is supplied from an external source.

Es sind auch einzelne Lösungen bekannt, bei denen eine kontinuierliche Fluidzirkulation lediglich an einer einzelnen Schaufel, beispielsweise einer Rotorschaufel, erfolgt, an welcher Fluid von der Oberfläche abgesaugt und an der selben Schaufel im Blattspitzenbereich wieder eingeblasen wird. There are also known individual solutions in which a continuous Fluid circulation only on a single Shovel, for example a rotor blade, takes place on which Sucked fluid from the surface and at the same Shovel is blown again in the blade tip area.

Andere aus dem Stand der Technik bekannte Konzepte sehen eine nicht-kontinuierliche Rezirkulation des Fluids von den hinteren zu den vorderen Stufen eines Verdichters vor, um die Stufenverstimmung bei Teillastbetrieb zu beeinflussen. In diesen Fällen beschränkt sich der Austausch von Fluid auf die zwischen den Schaufelreihen der Strömungsarbeitsmaschine liegenden Axialspalte.Other concepts known in the art see one non-continuous recirculation of the fluid from the rear to the front stages of a compressor before to the stage detuning to influence at partial load operation. In these Cases, the exchange of fluid is limited to the between the blade rows of the turbomachine lying Axial gaps.

Ebenfalls Stand der Technik sind einzelne Lösungen, die eine kontinuierliche Fluidzirkulation zwischen unterschiedlichen Schaufelreihen eines Verdichters vorsehen. Hier wird mit Hilfe des bestehenden Druckgefälles an einer stromabgelegenen Schaufelreihe oder einem dortigen Axialspalt Fluid entnommen und an einer stromaufgelegenen Schaufelreihe wieder zugeführt.Also state of the art are individual solutions, the one continuous fluid circulation between different Provide blade rows of a compressor. Here is with help the existing pressure drop on a downstream blade row or a local axial gap fluid removed and on an upstream row of blades fed again.

Eine Absaugung an Rotoren und Statoren und eine Ableitung des Fluids an einen Ort außerhalb der Strömungspfade der Strömungsarbeitsmaschine zeigen die US 2,720,356 und US 5,904,470, die EP 1 013 937 A2 sowie die DE 1 815 229 A.A suction on rotors and stators and a derivative of the Fluids to a location outside the flow paths of the flow machine show US 2,720,356 and US 5,904,470, EP 1 013 937 A2 and DE 1 815 229 A.

Aus der US 5,480,284 ist eine kontinuierliche Fluidzirkulation innerhalb einzelner Rotorschaufeln vorbekannt.From US 5,480,284 is a continuous fluid circulation previously known within individual rotor blades.

Eine kontinuierliche Rezirkulation von Fluid zwischen Axialspalt und Schaufelreihe ist aus DE 1 428 188 A bekannt, während eine Rezirkulation von Schaufelreihe zu Schaufelreihe in den US 2,749,027, US 2,933,238 und US 2,870,957 gezeigt wird.A continuous recirculation of fluid between axial gap and blade row is known from DE 1 428 188 A, while a recirculation of blade row to blade row in US 2,749,027, US 2,933,238 and US 2,870,957.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zeichnen sich durch eine Reihe erheblicher Nachteile aus.The solutions known from the prior art are distinguished through a number of significant disadvantages.

Einige der existierenden Konzepte, die durch Grenzschichtabsaugung oder Fluideinblasung eine zusätzliche Stabilisierung der Strömung in der Strömungsarbeitsmaschine erreichen wollen, lassen den Aspekt einer Zirkulation der Sekundärfluidmengen zwischen Oberflächen unterschiedlicher Schaufelreihen der Strömungsarbeitsmaschine unberücksichtigt. Zumeist wird Fluid - in einigen Fällen sogar unter Aufbringung zusätzlicher Energien - dauerhaft vom Hauptströmungspfad entfernt oder aus externer Quelle zugeführt.Some of the existing concepts by boundary layer extraction or fluid injection additional stabilization wanting to reach the flow in the flow machine, let the aspect of a circulation of the secondary fluid quantities between surfaces of different blade rows of Turbomachine is disregarded. Mostly fluid - In some cases, even with the application of additional energy - permanently removed from the main flow path or from external Source supplied.

Sowohl ein zusätzlicher Energieaufwand als auch ein Verlust an Massenstrom durch die Strömungsarbeitsmaschine verursachen Verluste für den thermodynamischen Prozess des die Strömungsarbeitsmaschine umgebenden Gesamtsystems. Derartige Gesamtsysteme können beispielsweise Gasturbinen, Flugtriebwerke Kraftwerksanlagen oder Ähnliches sein. Vereinzelte Konzepte nutzen eine Rezirkulation von Schaufelreihe zu Schaufelreihe, doch dient jede Schaufelreihe entweder allein der Fluidentnahme oder der Fluidzufuhr.Both additional energy and loss Causing mass flow through the turbomachine Losses for the thermodynamic process of the fluid flow machine surrounding overall system. Such overall systems For example, gas turbines, aircraft engines power plants or something similar. Use isolated concepts a recirculation from blade row to blade row, yet each row of blades is used either alone the fluid removal or the fluid supply.

Keines der existierenden Konzepte sieht an ein und derselben Schaufelreihe eine bifunktionale Strömungsbeeinflussung, d. h. eine Verbindung von Fluidentnahme und Fluidzufuhr und somit eine hochwirksame Kombination von Grenzschichtabsaugung und Einblasung vor. Ein integriertes Zirkulationssystem für eine repetierende Verwirklichung der bifunktionalen Strömungsbeeinflussung über mehrere Stufen der Strömungsarbeitsmaschine gibt es ebenfalls nicht.None of the existing concepts looks the same Blade row a bifunctional flow control, d. H. a combination of fluid removal and fluid delivery and thus a highly effective combination of boundary layer extraction and Blowing in before. An integrated circulation system for one repetitive realization of the bifunctional flow control over several stages of the fluid flow machine it also not.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsarbeitsmaschine zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau, geringer Teileanzahl und kostengünstiger Herstellbarkeit unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine besonders hohe aerodynamische Belastung aufweist.The invention is based on the object, a fluid flow machine to create, which in a simple structure, lower Number of parts and cost-effective manufacturability while avoiding the disadvantages of the prior art a particular has high aerodynamic load.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention, the object is achieved by the feature combination of the main claim, the dependent claims show further advantageous embodiments of the invention.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Strömungsarbeitmaschinen wie Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren in axialer, halbaxialer oder radialer Bauart mit gasförmigem oder flüssigem Arbeitsmedium (Fluid). Die Strömungsarbeitmaschine besteht aus einer oder mehreren Stufen. Jede Stufe umfasst üblicherweise einen Rotor und einen Stator, in Einzelfällen existiert lediglich ein Rotor. Der Rotor besteht dabei aus einer Anzahl von Schaufeln, die mit der rotierenden Welle der Strömungsarbeitmaschine verbunden sind und Energie an das Arbeitsmedium abgeben. Der Rotor kann mit oder ohne Deckband am äußeren Schaufelende ausgeführt sein. Der Stator wiederum besteht aus einer Anzahl feststehender Schaufeln, die entweder an beiden Enden mit Deckband oder nabenseitig mit freiem Schaufelende ausgeführt sein können. Die Strömungsarbeitmaschine ist üblicherweise von einem Gehäuse umgeben, in anderen Fällen (z. B. bei Propellern oder Schiffsschrauben) existiert kein Gehäuse. Die Strömungsarbeitmaschine kann einen Stator vor dem ersten Rotor aufweisen (Vorleitrad). Alternativ hierzu kann mindestens ein Stator oder Vorleitrad drehbar gelagert sein und zur Verstellung eine von außerhalb des Gehäuses zugängliche Spindel aufweisen. In besonderer Ausgestaltung kann die Strömungsarbeitsmaschine ebenfalls mindestens eine Reihe verstellbarer Rotoren aufweisen.The present invention relates to fluid flow machines like blowers, compressors, pumps and fans in axial, semi-axial or radial design with gaseous or liquid working medium (fluid). The flow machine consists of one or more stages. Each stage usually includes a rotor and a stator, in some cases exists only a rotor. The rotor consists of one Number of blades connected to the rotating shaft of the Turbomachine are connected and energy to the working fluid submit. The rotor can be with or without shroud on be executed outer blade end. The stator is in turn from a number of fixed blades, either on both ends with shroud or hub side with free Can be performed blade end. The flow machine is usually surrounded by a housing, in others Cases (eg in propellers or propellers) exists no housing. The turbomachine can be a stator before the first rotor (leading wheel). Alternatively to this can be rotatably mounted at least one stator or Vorleitrad be and for adjustment an accessible from outside the housing Spindle have. In a special embodiment can the turbomachine also at least one row having adjustable rotors.

In alternativer Konfiguration kann die besagte Strömungsarbeitsmaschine bei Mehrstufigkeit zwei gegenläufige Wellen besitzen, so daß die Rotorschaufelreihen von Stufe zu Stufe die Drehrichtung wechseln. Hierbei existieren keine Statoren zwischen aufeinander folgenden Rotoren. Schließlich kann die Strömungsarbeitsmaschine eine Nebenstromkonfiguration derart aufweisen, dass sich der einstromige Ringkanal hinter einer der Schaufelreihen in zwei konzentrische Ringkanäle aufteilt, die ihrerseits mindestens jeweils eine Schaufelreihe beherbergen.In an alternative configuration, said turbomachine in multistage, have two opposite waves, so that the rotor blade rows from stage to stage the Change the direction of rotation. There are no stators between successive rotors. Finally, the Fluid flow machine such a bypass configuration have that the single-flow annular channel behind a the blade row divides into two concentric ring channels, which in turn accommodate at least one row of blades each.

Erfindungsgemäß sind an mindestens einer Schaufelreihe (Rotor oder Stator) der Strömungsarbeitmaschine sowohl eine Einrichtung zur Entnahme von Fluid aus dem Hauptströmungspfad als auch eine Einrichtung zur Zufuhr von Fluid in den Hauptströmungspfad vorgesehen (bifunktionale Strömungsbeeinflussung). Dabei existiert in Verbindung mit der Entnahmevorrichtung mindestens eine Leitung zur Rückführung des entnommenen Fluids zu einer weiter stromaufgelegenen Stelle am Hauptströmungspfad. Die Zufuhreinrichtung hingegen ist an mindestens eine Leitung angeschlossen, zu der von einer weiter stromab gelegenen Position am Hauptströmungspfad Fluid zurückgeleitet wird. Erfindungsgemäß erstreckt sich dieses Wirkprinzip bei Verknüpfung mehrerer Schaufelreihen zu einem integrierten Fluidzirkulationssystems repetierend über mehrere Stufen der Strömungsarbeitmaschine.According to the invention, at least one blade row (rotor or stator) of the fluid flow machine both a device for removing fluid from the main flow path as also a device for supplying fluid into the main flow path provided (bifunctional flow control). At least one exists in connection with the removal device a conduit for returning the withdrawn fluid a further upstream location on the main flow path. The supply device, however, is connected to at least one line connected to the from a further downstream position Fluid is returned at the main flow path. According to the invention extends this principle of action when linking several rows of blades to an integrated fluid circulation system repetitive over several stages of the turbomachine.

Zentraler Gegenstand der Erfindung ist somit ein integriertes System zur kontinuierlichen Fluidzirkulation, welches eine bifunktionale Strömungsbeeinflussung an mindestens einer Schaufelreihe ermöglicht und sich daher hinsichtlich des Konzeptes, der Wirkkraft und der Wiederanwendung entlang mehrerer Stufen der Strömungsarbeitmaschine von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen unterscheidet.The central object of the invention is thus an integrated System for continuous fluid circulation, which is a bifunctional Flow control on at least one row of blades allows and therefore, in terms of concept, the effectiveness and the reuse along several stages the fluid flow machine of the prior art differentiates known solutions.

Erfindungsgemäß sind an mindestens einer Schaufelreihe der Strömungsarbeitsmaschine sowohl mindestens eine Einrichtung zur Fluidentnahme als auch mindestens eine Einrichtung zur Fluidzufuhr an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen vorgesehen. Bevorzugterweise setzt sich dieses Merkmal über mehrere Schaufelreihen derart fort, daß eine Einrichtung zur Fluidentnahme an zumindest einer Schaufel von mindestens einer Statoroder Rotorreihe über mindestens eine Leitung an eine Einrichtung zur Fluidzufuhr mündet, die sich an einer stromauf gelegenen Stelle des Strömungspfads an mindestens einer Schaufel von mindestens einer Stator- oder Rotorreihe befindet.According to the invention, at least one blade row of the Turbomachine both at least one device for fluid withdrawal as well as at least one device for Provided fluid supply to Schaufelkanalbegrenzenden surfaces. Preferably, this feature is over several Blade rows such that a means for fluid removal on at least one blade of at least one stator or Rotor row via at least one line to a device to the fluid supply opens, located at an upstream Place the flow path on at least one blade of at least one stator or rotor row is located.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Leitungen können entweder eine freie Strömung des Fluids ermöglichen oder alternativ mit einem festen oder auch variabel regelbaren Drosselorgan versehen sein.The inventively provided lines can either a allow free flow of the fluid or alternatively with a fixed or variably controllable throttle body provided be.

Weiterhin kann es günstig sein, wenn die Leitung zur Sammlung von entnommenen Fluidmengen von einzelnen Schaufeln der Strömungsarbeitsmaschine mit einer vorzugsweise an der Peripherie des Hauptströmungspfads gelegene Abfuhrkammer versehen ist, in welche einzelne Leitungen münden bzw. von welcher die oder die mehreren Leitungen ausgehen. In gleicher Weise kann eine Zufuhrkammer vorgesehen sein. Sowohl die Abfuhrkammer als auch die Zufuhrkammer dienen einer Vergleichmäßigung der Fluidströmung sowie einem entsprechenden, gegebenenfalls erforderlichen Druckausgleich.Furthermore, it may be convenient if the line to the collection of withdrawn fluid quantities of individual blades of the fluid flow machine with a preferably on the periphery of the main flow path, in which individual lines lead or from which or the go out several lines. In the same way, a supply chamber be provided. Both the discharge chamber and the supply chamber serve to equalize the fluid flow and a corresponding, if necessary Pressure compensation.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig.1
eine schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Fluidentnahme oder Fluidzufuhr,
Fig. 2
eine schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Fluidzirkulation,
Fig. 3
eine Darstellung einiger möglicher Konfigurationen der Strömungsarbeitsmaschine
Fig. 4
die Definition der schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen, erforderlich zum Verständnis der Erfindung,
Fig. 5
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lösungskonzeptes,
Fig. 6
ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fluidzirkulationssystems,
Fig. 7
ein alternatives Ausführungsbeispiel, analog Fig. 6,
Fig. 8
ein Ausführungsbeispiel mit variabler Leitschaufelgestaltung.
In the following the invention will be described by means of embodiments in conjunction with the drawing. Showing:
Fig.1
a schematic representation of the known from the prior art solutions for fluid removal or fluid supply,
Fig. 2
a schematic representation of the known from the prior art solutions for fluid circulation,
Fig. 3
a representation of some possible configurations of the fluid flow machine
Fig. 4
the definition of the blade channel limiting surfaces necessary for understanding the invention,
Fig. 5
a schematic representation of the solution concept according to the invention,
Fig. 6
an embodiment of the fluid circulation system according to the invention,
Fig. 7
an alternative embodiment, analogous to FIG. 6,
Fig. 8
an embodiment with variable vane design.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Fluidentnahme bzw. Fluidzufuhr. Dabei ist ersichtlich, daß ein Abblasen von Fluid entweder von einem Rotor oder einem Stator (Rotor- oder Statorschaufel) weg von der Strömungsarbeitsmaschine erfolgt. Dabei kann eine Hilfspumpe 3 zum Einsatz kommen. Weiterhin ist es bekannt, aus einer externen Quelle, zum Beispiel einer Hilfspumpe, einem Rotor oder Stator Fluid zuzuführen.Fig. 1 shows a schematic representation of the Prior art known solutions for fluid removal or Fluid supply. It can be seen that a blow-off of fluid either from a rotor or a stator (rotor or stator blade) done away from the flow machine. there An auxiliary pump 3 can be used. Furthermore is it is known from an external source, for example one To supply auxiliary pump, a rotor or stator fluid.

Die Fig. 2 beschreibt weitere Lösungen nach dem Stand der Technik. Dazu gehören die Rezirkulation zwischen Axialspalten, die Rezirkulation zwischen Axialspalt und Schaufelreihe (Rotor oder Stator), sowie die Rezirkulation zwischen Schaufelreihen (Rotor oder Stator).Fig. 2 describes further solutions according to the prior Technology. These include recirculation between axial gaps, the recirculation between axial gap and blade row (rotor or stator), as well as the recirculation between rows of blades (Rotor or stator).

Die Fig. 3 zeigt, um die Anwendungsbreite der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen, einige mögliche Konfigurationen des Hauptströmungspfades der erfindungsgemäßen Strömungsarbeitsmaschine mit integriertem Fluidzirkulationssystem.Fig. 3 shows the scope of the present invention to clarify some possible configurations of the Main flow path of the flow machine according to the invention with integrated fluid circulation system.

Die Fig. 4 zeigt die Definitionen des erfindungsgemäß verwendeten Begriffs der "schaufelkanalbegrenzende Oberflächen". Dabei ist, wie sich aus der Beschriftung der Fig. 4 ergibt, eine unterschiedliche Anordnung und Dimensionierung der einzelnen Bereiche vorgesehen.Fig. 4 shows the definitions of the invention used Concept of "shovel-channel-limiting surfaces". there is, as is apparent from the caption of Fig. 4, a different arrangement and dimensioning of the individual Areas provided.

Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Konzepts mit einer kontinuierlichen Fluidzirkulation. Dabei ist ersichtlich daß hier Zirkulationsleitungen jeweils alternierend zwischen Rotoren 1 und Statoren 2 vorgesehen sind, um den Schaufelreihen die erfindungsgemäße Bifunktionalität zu geben. Mittels der schematisch dargestellten Leitung 4 ist es jeweils möglich, Fluid abzusaugen oder abzuführen und an einem Ort stromauf des Strömungspfades der Strömungsarbeitsmaschine zu leiten, um es dort wieder zuzuführen. Die Fluidentnahme und -zufuhr kann entweder an einem Rotor oder an einem Stator (bzw. an einer jeweiligen Schaufel desselben) erfolgen, wobei das Fluid durch im Einzelnen nicht dargestellte Ausnehmungen in Schaufeln des Rotors oder Stators ein- oder austritt. Wie die Fig. 5 zeigt, kann die Leitung 4 entweder Statoren oder Rotoren miteinander verbinden, es ist jedoch ebenso möglich Fluid von einem Rotor zu entnehmen und einem Stator zuzuführen oder von einem Stator zu entnehmen und einem Rotor zuzuführen, um die Bifunktionalität (Fluidentnahme und -zufuhr gleichzeitig) einer oder mehrerer Schaufelreihen zu gewährleisten. Die Art der Fluidzufuhr in den Hauptströmungspfad stromauf einer bifunktional versorgten Schaufelreihe oder einer Sequenz bifunktional versorgter Schaufelreihen ist, wie die Art der Fluidentnahme aus dem Hauptströmungspfad stromab einer bifunktional versorgten Schaufelreihe oder einer Sequenz bifunktional versorgter Schaufelreihen, frei wählbar.Fig. 5 shows a schematic representation of a possible Embodiment of the inventive concept with a continuous Fluid circulation. It can be seen that here Circulation lines alternately between rotors 1 and stators 2 are provided to the blade rows according to the invention To give bifunctionality. By means of the schematic shown line 4, it is possible in each case, fluid suck off or remove and at a location upstream of the flow path to direct the flow machine to it there feed again. The fluid removal and supply can either on a rotor or on a stator (or on a respective Shovel thereof), wherein the fluid by in detail not shown recesses in blades of the rotor or stator enters or exits. As shown in FIG. 5, can line 4 connect either stators or rotors, however, it is also possible to use fluid from a rotor remove and supply to a stator or from a stator to and deliver it to a rotor for bifunctionality (Fluid withdrawal and supply simultaneously) one or more To ensure rows of blades. The type of fluid supply in the main flow path upstream of a bifunctional supplied Blade row or a sequence bifunctional supplied Blade rows is how the type of fluid removal from the Main flow path downstream of a bifunctional supplied Blade row or a sequence bifunctional supplied Blade rows, freely selectable.

Alternativ ist es auch möglich, in der Leitung 4 ein Drosselorgan 5 vorzusehen, welches gegebenenfalls variabel verstellbar ist, um die erfindungsgemäße Ausgestaltung an unterschiedliche Betriebszustände der Strömungsarbeitsmaschine anpassen zu können.Alternatively, it is also possible in the line 4, a throttle body 5 provide, which optionally variably adjustable is to the inventive design to different Adjust operating conditions of the turbomachine to be able to.

Erfindungsgemäß erfolgt die Entnahme von Fluid aus dem Strömungspfad der Strömungsarbeitsmaschine durch schaufelkanalbegrenzende Oberflächen an mindestens einer Schaufel mindestens einer Rotor- oder Statorreihe 1, 2 verbunden mit einer Sammlung und Führung des Fluids zu mindestens einer weiter stromauf gelegenen Schaufelreihe, verbunden mit einer Zufuhr des Fluids in den Strömungspfad der Strömungsarbeitsmaschine durch schaufelkanalbegrenzende Oberflächen an mindestens einer Schaufel einer Rotor- oder Statorreihe 1 bzw. 2. Es erfolgt die Überführung des Fluids von der Entnahmestelle zur Zufuhrstelle mittels der Leitung 4 bei freiem Leitungs-/Kammerströmungsquerschnitt oder aber in restringierter Weise über ein optional modulierbares Drosselorgan 5 im Überführungsweg bzw. in der Leitung 4. Erfindungsgemäß ist das Zirkulationssystem stets so beschaffen, daß an mindestens einer Schaufel einer Rotor- oder Statorreihe durch gleichzeitiges Vorhandensein einer Entnahmestelle und einer Zufuhrstelle eine bifunktionale Strömungsbeeinflussung möglich, und somit Bifunktionalität hergestellt ist.According to the invention, the removal of fluid from the flow path the Strömungsarbeitsmaschine by Schaufelkanalbegrenzende Surfaces on at least one blade at least a rotor or stator row 1, 2 connected to a collection and guiding the fluid to at least one further upstream located blade row, connected to a supply of the Fluids in the flow path of the fluid flow machine through blade channel limiting surfaces on at least one Blade of a rotor or stator row 1 or 2. It takes place the transfer of the fluid from the sampling point to the feed point by means of the line 4 at free line / chamber flow cross-section or in a restricted manner via an optionally modulatable throttle element 5 in the transfer path or in the line 4. According to the invention, the circulation system always in such a way that at least one Blade of a rotor or stator row by simultaneous Presence of a donor site and a feeding site one bifunctional flow influencing possible, and thus bifunctionality is made.

Schaufelkanalbegrenzende Oberflächen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind wie in Fig. 4 dargestellt, alle Oberflächen einer Schaufel selbst (Saugseite, Druckseite, Vorderkante und Hinterkante), Oberflächen an Nabe und Gehäuse der Strömungsarbeitsmaschine mit einer Lage zwischen der Vorder- und Hinterkante der betrachteten Schaufelreihe, Oberflachen an Nabe oder Gehäuse mit fester Verbindung zur Schaufel (Schaufelplattformen, Deckbänder, Blisk- oder Bling-Konfigurationen) zwischen einem Ort 25% der örtlichen meridionalen Schaufelsehnenlänge (CmG bzw. CmN) vor der Vorderkante gelegen und der Vorderkante selbst, Oberflachen an Nabe oder Gehäuse ohne feste Verbindung zur Schaufel (freie Rotor- oder Statorenden) zwischen einem Ort 35% der örtlichen meridionalen Schaufelsehnenlänge (CmG bzw. CmN) vor der Vorderkante gelegen und der Vorderkante selbst.Schaufelkanalbegrenzende surfaces according to the present Invention are as shown in Fig. 4, all surfaces of a Shovel itself (suction side, pressure side, front edge and Trailing edge), surfaces on the hub and housing of the turbomachine with a location between the leading and trailing edges of the considered blade row, surfaces on hub or Housing with fixed connection to the blade (blade platforms, Shrouds, blisk or bling configurations) between a location 25% of the local meridional blade chord length (CmG or CmN) located in front of the leading edge and the leading edge itself, surfaces on the hub or housing without a fixed connection to the bucket (free rotor or stator ends) between one Location 35% of the local meridional blade chord length (CmG or CmN) located in front of the leading edge and the leading edge even.

Im Nachfolgenden wird auf die Ausführungsbeispiele der Fign. 6 und 7 eingegangen.In the following, the embodiments of FIGS. 6 and 7 received.

Die Fig. 6 zeigt eine an oder in einem nicht weiter im Detail dargestellten Gehäuse der Strömungsarbeitsmaschine ausgebildete Fluidabfuhrkammer 6 mit beliebig wählbarer Formgebung, welche mit der Leitung 4 verbunden ist und mit mindestens einer Öffnung an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen mindestens einer Schaufel einer Statorreihe bzw. eines Stators 2 in Verbindung steht. Weiterhin ist ersichtlich, dass die Leitung 4 im Bereich des Gehäuses ausgebildet ist und einen Überführungsweg bildet. Es ist zumindest eine Leitung 4 und/oder eine Abfuhrkammer 6 vorgesehen. Die Leitung 4 mündet in eine im oder am Gehäuse befindliche Fluidzufuhrkammer 7, welche hinsichtlich ihrer Dimensionierung und Formgebung ausgestaltbar ist und in Verbindung steht mit zumindest einer Öffnung an einer schaufelkanalbegrenzenden Oberfläche mindestens einer Schaufel einer weiter stromauf befindlichen Statorreihe bzw. eines Stators 2. Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Bifunktionalität weist mindestens eine Schaufel mindestens einer der ins Fluidzirkulationssystem eingebundenen Statorreihen eine Anzahl von Öffnungen an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen auf, von denen ein Teil mit einer Abfuhrkammer 6 und der verbleibende Teil mit einer Zufuhrkammer 7 verbunden ist.Fig. 6 shows an on or in a not further detail illustrated housing of the flow machine trained Fluid discharge chamber 6 with arbitrary shape, which is connected to the line 4 and at least one Opening on blade channel limiting surfaces at least a blade of a stator or a stator 2 in conjunction stands. Furthermore, it can be seen that the line 4 is formed in the region of the housing and a transfer path forms. It is at least one line 4 and / or one Discharge chamber 6 is provided. The line 4 opens into an or located on the housing fluid supply chamber 7, which in terms their dimensioning and shaping ausgestaltbar is and communicates with at least one opening on one shovel channel limiting surface at least one Blade of a further upstream stator row or a stator 2. For the realization of the bifunctionality according to the invention has at least one blade at least one the integrated into the fluid circulation system stator rows a Number of openings on the shroud-channel limiting surfaces of which a part with a discharge chamber 6 and the remaining part is connected to a supply chamber 7.

Alternativ oder in Kombination hierzu zeigt die Fig. 6 in ihrer unteren Hälfte der Darstellung eine Ausgestaltungsvariante, bei welcher die Abfuhrkammer 6, die Leitungen 4 sowie die Zufuhrkammer 7 einzelnen Rotorreihen zugeordnet sind. Die Leitungen 4 sind in diesem Fall in oder an der Rotortrommel bzw. der Nabe des Rotors ausgebildet. Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Bifunktionalität weist mindestens eine Schaufel mindestens einer der ins Fluidzirkulationssystem eingebundenen Rotorreihen eine Anzahl von Öffnungen an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen auf, von denen ein Teil mit einer Abfuhrkammer 6 und der verbleibende Teil mit einer Zufuhrkammer 7 verbunden ist.Alternatively or in combination thereto, FIG. 6 shows in their lower half of the illustration a variant embodiment, in which the discharge chamber 6, the lines 4 and the Supply chamber 7 individual rotor rows are assigned. The wires 4 are in this case in or on the rotor drum or formed the hub of the rotor. For the realization of the invention Bifunctionality has at least one scoop at least one of the integrated into the fluid circulation system Rotor rows a number of openings on Schaufelkanalbegrenzenden Surfaces on, of which a part with a discharge chamber 6 and the remaining part with a supply chamber. 7 connected is.

Die Fig. 7 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei welcher eine in oder an der Rotortrommel befindliche Fluidabfuhrkammer 6 wählbarer Formgebung in Verbindung steht mit mindestens einer Öffnung an einer schaufelkanalbegrenzenden Oberfläche mindestens einer Schaufel einer Statorreihe 2. Weiterhin ist ein in der Rotortrommel 1 befindlicher Überführungsweg (Leitung 4) aus mindestens einer Leitung und/oder einer Kammer wählbarer Form vorgesehen, welche in Verbindung steht mit Fluidabfuhrkammer 6. In oder an der Rotortrommel ist eine Fluidzufuhrkammer 7 wählbarer Formgebung ausgebildet, welche in Verbindung steht mit mindestens einer Öffnung an einer schaufelkanalbegrenzenden Oberfläche mindestens einer Schaufel einer weiter stromauf befindlichen Statorreihe 2. Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Bifunktionalität weist mindestens eine Schaufel mindestens einer der ins Fluidzirkulationssystem eingebundenen Statorreihen eine Anzahl von Öffnungen an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen auf, von denen ein Teil mit einer Abfuhrkammer 6 und der verbleibende Teil mit einer Zufuhrkammer 7 verbunden ist.FIG. 7 shows an alternative embodiment in which a fluid discharge chamber located in or on the rotor drum 6 selectable shape is associated with at least one Opening on a blade channel limiting surface at least a blade of a row of stator 2. Furthermore, a in the rotor drum 1 located transfer path (line 4) from at least one line and / or a chamber selectable Form provided, which communicates with fluid discharge chamber 6. In or on the rotor drum is a fluid supply chamber 7 selectable shape formed, which in conjunction is at least one opening at a Schaufelkanalbegrenzenden Surface of at least one blade of a further upstream stator row 2. To realize the bifunctionality of the invention has at least one Blade of at least one of the incorporated in the fluid circulation system Stator rows a number of openings on Schaufelkanalbegrenzenden Surfaces on, of which a part with a Discharge chamber 6 and the remaining part with a supply chamber 7 is connected.

Weiterhin zeigt die Fig. 7 eine alternative oder auch zusätzliche Ausgestaltung, bei welcher eine im oder am Gehäuse befindliche Fluidabfuhrkammer 6 wählbarer Formgebung mit mindestens einer Öffnung an einer schaufelkanalbegrenzenden Oberfläche mindestens einer Schaufel einer Rotorreihe 1 in Verbindung steht. Im oder auch am Gehäuse ist ein Überführungsweg (Leitung 4) ausgebildet. Dieser umfasst, wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, mindestens eine Leitung und/oder eine Kammer wählbarer Formgebung, die in Verbindung steht mit mindestens einer Öffnung an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen mindestens einer Schaufel einer weiter stromauf befindlichen Rotorreihe 1. Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Bifunktionalität weist mindestens eine Schaufel mindestens einer der ins Fluidzirkulationssystem eingebundenen Rotorreihen eine Anzahl von Öffnungen an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen auf, von denen ein Teil mit einer Abfuhrkammer 6 und der verbleibende Teil mit einer Zufuhrkammer 7 verbünden ist.Furthermore, Fig. 7 shows an alternative or additional Embodiment in which a located in or on the housing Fluid discharge chamber 6 selectable shape with at least an opening on a blade channel limiting surface at least one blade of a rotor row 1 in conjunction stands. In or on the housing is a transfer path (line 4) is formed. This includes, as with the others Embodiments, at least one line and / or a Chamber of selectable shape, which is associated with at least an opening on Schaufelkanalbegrenzenden surfaces at least one blade of a further upstream Rotor series 1. For the realization of the bifunctionality according to the invention has at least one blade at least one of in the fluid circulation system integrated rotor rows a number of openings on Schaufelkanalbegrenzenden surfaces of which a part with a discharge chamber 6 and the remaining part with a supply chamber 7 is ally.

Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, sind erfindungsgemäß unterschiedlichste Ausgestaltungen und Zuordnungen der Fluidrückführung möglich, um Bifunktionalität an einer oder mehreren Schaufelreihen herzustellen. Entweder, wie in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt, von Rotor zu Rotor beziehungsweise von Stator zu Stator, oder aber von Rotor zu Stator beziehungsweise von Stator zu Rotor, wobei die Leitung 4 entweder am oder im Gehäuse bzw. an oder in der Rotortrommel (Nabe) ausgebildet sein kann. Weiterhin ergibt sich, dass die Rückführung des Fluids auch Möglichkeiten einschließt, bei welchen das Fluid weiter als zur nächst folgenden Rotor- oder Statorreihe rückgeführt wird. Es sind somit eine Vielzahl von Kombinationen im Rahmen der Erfindung möglich.As is apparent from the foregoing, are in accordance with the invention most different configurations and assignments the fluid recycling possible to bifunctionality on one or produce several rows of blades. Either, as in Fig. 6 and Fig. 7 shown, from rotor to rotor or from stator to stator, or from rotor to stator or from stator to rotor, with the line 4 either on or in the housing or on or in the rotor drum (hub) can be trained. Furthermore, it follows that the return the fluid also includes options in which the fluid continues as the next following rotor or stator is returned. There are thus a variety of combinations within the scope of the invention possible.

Die Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer variablen Statorschaufel eines Stators 2, die auch eine Vorleitschaufel sein kann. Diese weist erfindungsgemäß die oben beschriebenen bifunktionale Bauweise auf. Die Statorschaufel besteht aus einem profilierten Schaufelblatt und einer mit diesem verbundenen Spindel, die durch das Gehäuse der Strömungsarbeitsmaschine nach außen führt und dort die Anbindung an einen beliebigen Verstellmechanismus ermöglicht. Die Spindel 8 ist um ihre eigene Achse drehbar am oder im Gehäuse gelagert und besitzt einen beliebigen Querschnittsverlauf entlang ihrer Achse. Die Spindel ist innen hohl und weist auf ihrer ganzen Länge oder über Teilen ihrer Länge zwei nebeneinander oder ineinander liegende Kanäle auf. Einer der besagten Kanäle der Spindel 8 dient der Fluidzufuhr zur Schaufel und besitzt zu diesem Zweck einen seitlichen oder kopfseitigen Einlass, der das Einströmen aus der Fluidzufuhrkammer 7 ermöglicht. Zur weiteren Fluidführung steht dieser Spindelkanal über mindestens einen Hohlraum im Schaufelinnern mit zumindest einer Öffnung an Oberflächen der variablen Statorschaufel in Verbindung. Der andere der genannte Spindelkanäle sthet über mindestens einen Hohlraum im Schaufelinnern mit mindestens einer Öffnung an Oberflächen der variablen Statorschaufel in Verbindung. Dieser Spindelkanal dient der Fluidabfuhr von der Schaufel und besitzt zu diesem Zweck einen seitlichen oder kopfseitigen Auslass, der das Ausströmen in die Fluidabfuhrkammer 6 ermöglicht. Die Lagerung der Spindel 8 im Gehäuse kann entweder direkt oder über mindestens eine Gleitbuchse erfolgen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt drei Lagerbuchsen vorgesehen.Fig. 8 shows an embodiment with a variable Stator vane of a stator 2, which is also a Vorleitschaufel can be. This invention has the above-described bifunctional construction. The stator blade consists of a profiled airfoil and one connected to this Spindle passing through the housing of the fluid flow machine leads to the outside and there the connection to any Adjustment mechanism allows. The spindle 8 is at its own Axis rotatably mounted on or in the housing and has a any cross-sectional profile along its axis. The Spindle is hollow inside and points along its entire length or over parts of their length two next to each other or into each other lying on channels. One of said channels of the spindle 8 serves the fluid supply to the blade and has for this purpose a side or head-side inlet, which is the inflow from the fluid supply chamber 7 allows. For further fluid guidance this spindle channel is at least one cavity in the blade interior with at least one opening on surfaces the variable stator blade in connection. The other one said Spindle channels has at least one cavity in the Bucket interior with at least one opening on surfaces of variable stator blade in conjunction. This spindle channel serves the fluid discharge from the blade and has to this Purpose a side or head outlet, which is the outflow in the fluid discharge chamber 6 allows. Warehousing the spindle 8 in the housing can be either directly or via at least a slide bushing done. In the embodiment shown a total of three bushings are provided.

Alternativ zu der in Fig. 8 dargestellten Lösung kann eine variable, bifunktionale Statorschaufel erfindungsgemäß neben der Spindel mit Lagerung am Gehäuse eine weitere, innenliegende Spindel mit Lagerung in einem feststehenden Bereich an der Nabe der Strömungsarbeitsmaschine aufweisen. Dann kann es vorteilhaft sein, die Fluidabfuhr über einen nach außen zum Gehäuse führenden Spindelkanal und eine damit in Verbindung stehende Abfuhrkammer am Gehäuse zu ermöglichen, aber die Fluidzufuhr über einen von der Nabe kommenden Spindelkanal und eine damit in Verbindung stehende Zufuhrkammer an der Nabe sicherzustellen. Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, die Fluidzufuhr über einen vom Gehäuse kommenden Spindelkanal und eine damit in Verbindung stehende Zufuhrkammer am Gehäuse zu ermöglichen, aber die Fluidabfuhr über einen nach innen zur Nabe führenden Spindelkanal und eine damit in Verbindung stehende Abfuhrkammer an der Nabe sicherzustellen. Schließlich kann erfindungsgemäß bei Lagerung der Spindel im Bereich der Nabe und unabhängig vom Vorhanden- oder auch Nichtvorhandensein einer außenliegenden Spindel, die Fluidzufuhr und die Fluidabfuhr über nebeneinander oder ineinander liegende, zur Nabe führende Spindelkanäle und ebenfalls an der Nabe befindliche Fluidzufuhr- und Abfuhrkammern sichergestellt werden. Dabei gelten die zuvor für den Fall "Fluidzufuhr und Fluidabfuhr am Gehäuse" aufgestellten konstruktiven Gestaltungsregeln.Alternatively to the solution shown in FIG. 8, a variable, bifunctional stator blade according to the invention in addition to the Spindle with storage on the housing another, internal Spindle with storage in a fixed area on the hub the Strömungsarbeitsmaschine have. Then it can be beneficial be the fluid drain via an outward to the housing leading spindle channel and a related Allow discharge chamber on the housing, but the fluid supply via a coming from the hub spindle and a channel to ensure that it is connected to the hub. It may also be advantageous to supply the fluid via a coming from the housing spindle and a channel to allow a communicating supply chamber on the housing but the fluid drainage via an inward leading to the hub Spindle channel and an associated discharge chamber to ensure at the hub. Finally, according to the invention during storage of the spindle in the area of the hub and independently from the presence or absence of an external one Spindle, the fluid supply and the fluid drain over next to each other or in each other, leading to the hub Spindle channels and also fluid supply at the hub and discharge chambers are ensured. In this case apply the previously for the case "fluid supply and fluid removal at the housing" established design rules.

Wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt, ermöglicht die erfindungsgemäße Strömungsarbeitsmaschine mit dem erfindungsgemäßen Fluidzirkulationssystem ein bisher unerreichtes Maß an aktiver Grenzschichtbeeinflussung in Strömungsarbeitsmaschinen unterschiedlicherster Ausgestaltung, wie etwa Bläsern, Verdichtern, Pumpen, Ventilatoren, Propellern und Schiffsschrauben. As can be seen from the above explanations, allows the flow machine according to the invention with the inventive Fluid circulation system a previously unattained Level of active boundary layer influence in fluid flow machines of different design, such as brass, Compressors, pumps, fans, propellers and Propellers.

Das erfindungsgemäße Fluidzirkulationssystem arbeitet kontinuierlich aktiv und führt über einen weiten Betriebsbereich der Strömungsarbeitsmaschine zu einer starken Erhöhung der aerodynamischen Belastbarkeit.The fluid circulation system according to the invention operates continuously active and leads over a wide operating range of Turbomachine to a strong increase in aerodynamic Resilience.

Weiterhin ergibt die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine wesentlich knappere Dimensionierung der gesamten Strömungsarbeitsmaschine. Das erfindungsgemäße Fluidzirkulationssystem ist selbsttreibend und erfordert keine Energiezufuhr von außerhalb der Strömungsarbeitsmaschine. Durch die vollständig modulintern ablaufende Zirkulation von Fluid wird ein Fluidmassenverlust zwischen Ein- und Austritt der Strömungsarbeitsmaschine vermieden. Es wird somit eine effektive Wiederverwendung des abgesaugten Fluids an anderer Stelle der Strömungsarbeitsmaschine ermöglicht.Furthermore, the embodiment of the invention provides a significant tighter dimensioning of the entire turbomachine. The fluid circulation system according to the invention is self-driving and does not require energy from outside the flow machine. Through the complete internal circulation of fluid becomes a fluid mass loss between inlet and outlet of the fluid flow machine avoided. It will thus be an effective reuse the extracted fluid elsewhere in the fluid flow machine allows.

Die Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, dass insbesondere durch die erfindungsgemäße Bifunktionalität einer oder mehrerer Schaufelreihen ein sehr intensiver Austausch von Fluid zwischen schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen erreicht wird, also den Flächen, welche maßgeblich am Grenzschichtaufbau und an der Verlustentstehung in der Maschine beteiligt sind. Die systematische Wiederholung entlang der Stufen der Strömungsarbeitsmaschine sowie das Ineinandergreifen eines oder mehrerer Fluidentnahme/-zufuhr-Schemata ist Ursache für die Erzielung einer stark erhöhten aerodynamischen Belastbarkeit aller Schaufelreihen der Strömungsarbeitsmaschine (Rotoren und Statoren).The invention further has the advantage that in particular by the bifunctionality of the invention or one several rows of blades a very intensive exchange of fluid reached between Schaufelkanalbegrenzenden surfaces becomes, so the surfaces, which are relevant to the boundary layer structure and involved in the loss generation in the machine are. The systematic repetition along the steps of Turbomachine as well as the mesh of one or the other multiple fluid removal / supply schemes is the cause of Achieving a greatly increased aerodynamic resilience all blade rows of the turbomachine (rotors and stators).

Je nach Variante und Ausgestaltung der Erfindung wird eine Erhöhung der Belastbarkeit der Strömungsarbeitsmaschine um den Faktor 1,5 bis 2,5 ermöglicht. Für ein gegebenes Druckverhältnis der Strömungsarbeitsmaschine lässt sich unter Beibehaltung oder Verbesserung des Wirkungsgrades von bis zu 2% die Anzahl der verbauten Teile um etwa 50% gegenüber einer konventionell gebauten Strömungsarbeitsmaschine senken. Hierdurch ist eine Kostenreduzierung um rund 20% erreichbar.Depending on the variant and embodiment of the invention is an increase the load capacity of the fluid flow machine around the Factor 1.5 to 2.5 allows. For a given pressure ratio The flow machine can be maintained while maintaining or improve the efficiency of up to 2% the number the built-in parts by about 50% compared to a conventional Lower built flow working machine. This is a Cost reduction by around 20% achievable.

Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung im Verdichter eines Flugtriebwerks von beispielsweise 25.000 Pfund Schub ergibt sich eine Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs von bis zu 1%.When using the solution according to the invention in the compressor of a Aircraft engine of, for example, 25,000 pounds of thrust a reduction in specific fuel consumption up to 1%.

Es wird erfindungsgemäß eine neuartige und hocheffektive Möglichkeit aufgezeigt, die Belastungs- und Leistungswerte von Strömungsarbeitsmaschinen signifikant zu erhöhen. Spezielle Formen der Strömungsarbeitsmaschine mit einem integrierten Fluidzirkulationssystem wurden detailliert dargelegt, doch ist die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.It is inventively a novel and highly effective way shown, the load and performance values of Significantly increase flow machines. Specific Forms of turbomachinery with an integrated Fluid circulation system has been detailed, but is the invention is not limited to the embodiments shown. Rather, arise within the scope of the invention varied Ability to modify and modify.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Rotorrotor
22
Statorstator
33
Hilfspumpeauxiliary pump
44
Leitungmanagement
55
Drosselorganthrottle member
66
Abfuhrkammerdischarge chamber
77
Zufuhrkammersupply chamber
88th
Spindelspindle

Claims (9)

Strömungsarbeitsmaschine mit zumindest einer Rotorreihe (1) und einer freien Anzahl von Statorreihen (2), die von einem Fluid durchströmt werden, mit zumindest einer Schaufel, die an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen eine Einrichtung zur Entnahme von Fluid aus dem Strömungspfad und eine Einrichtung zur Fluidzufuhr in den Strömungspfad aufweist (Bifunktionalität), mit zumindest einer Leitung (4) zur Rückführung des entnommenen Fluids an eine stromauf gelegene Position des Strömungspfads und zumindest einer weiteren Leitung (4) zur Heranleitung des zuzuführenden Fluids von einer weiter stromab gelegenen Position des Strömungspfads.Turbomachine with at least one rotor row (1) and a free number of stator rows (2), of flowing through a fluid, with at least one blade, the on Schaufelkanalbegrenzenden surfaces a Device for removing fluid from the flow path and means for supplying fluid into the flow path has (bifunctionality), with at least one line (4) for returning the withdrawn fluid to an upstream located position of the flow path and at least one another line (4) for the instructions to be supplied Fluids from a further downstream position of the Flow path. Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Fluidentnahme an mindestens einer Schaufel von mindestens einer Stator- oder Rotorreihe von Schaufeln ausgebildet ist und über zumindest eine Leitung (4) an einer Einrichtung zur Fluidzufuhr an mindestens einer Schaufel einer Rotor- oder Statorreihe mündet.Turbomachine according to claim 1, characterized in that the device for fluid removal is formed on at least one blade of at least one stator or rotor row of blades and at least one line (4) on a device for supplying fluid to at least one blade of a rotor or stator row empties. Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Fluidzufuhr an mindestens einer Schaufel von mindestens einer Stator- oder Rotorreihe von Schaufeln ausgebildet ist und über zumindest eine Leitung (4) von einer Einrichtung zur Fluidentnahme an mindestens einer Schaufel einer Rotor- oder Statorreihe gespeist wird.Turbomachine according to claim 1, characterized in that the device for fluid supply to at least one blade of at least one stator or rotor row of blades is formed and via at least one line (4) by a device for fluid removal at least one blade of a rotor or stator is fed. Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (4) ein Drosselorgan (5) angeordnet ist.Turbomachine according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the conduit (4) a throttle body (5) is arranged. Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) eine freie Strömung des Fluids ermöglicht. Fluid working machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the conduit (4) allows a free flow of the fluid. Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel mit einer Einrichtung zur variablen Steuerung des Fluid-Strömungsquerschnitts zur Entnahme bzw. Zufuhr versehen ist.Flow working machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the blade is provided with a device for the variable control of the fluid flow cross-section for removal or supply. Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) zur Sammlung von entnommenen Fluidmengen von einzelnen Schaufeln mit einer Abfuhrkammer (6) versehen ist.Turbomachine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the line (4) is provided with a discharge chamber (6) for the collection of withdrawn amounts of fluid from individual blades. Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) zur Sammlung von zuzuführenden Fluidmengen zu einzelnen Schaufeln mit einer Zufuhrkammer (7) versehen ist.Turbomachine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the line (4) for collecting quantities of fluid to be supplied to individual blades is provided with a supply chamber (7). Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer verdrehbar gelagerten Statorschaufel je ein zum Gehäuse oder zur Nabe hin aus dem Strömungspfad herausführender Fluidzufuhr- und Fluidabfuhrkanal innerhalb der Drehspindel zur Ausbildung einer Bifunktionalität vorgesehen ist.Turbomachine according to claim 1, characterized in that a fluid supply and fluid discharge channel leading out of the flow path to the housing or the hub is provided on a rotatable stator blade within the rotary spindle to form a bifunctionality.
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