EP2025946B1

EP2025946B1 - Schaufeldeckband mit Sperrstrahlerzeugung

Info

Publication number: EP2025946B1
Application number: EP08014018.9A
Authority: EP
Inventors: Volker Dr. Gümmer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: US20090047120A1; EP2025946A3; EP2025946A2; US8403630B2; DE102007037855A1

Description

Die aerodynamische Belastbarkeit und die Effizienz von Strömungsarbeitsmaschinen, beispielsweise Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren, wird durch das Wachstum und die Ablösung von Grenzschichten auf den Schaufeln sowie auf den Naben- und Gehäusewänden begrenzt. Der Stand der Technik hält für dieses fundamentale Problem nur bedingt Lösungen bereit. Eine Quelle der in Strömungsarbeitsmaschinen entstehenden Verluste besteht in der Leckageströmung um Schaufeldeckbänder, wie sie häufig am inneren Schaufelende von Statoren oder auch am äußeren Schaufelende von Rotoren zu finden sind. Die Leckageströmung wird üblicherweise durch Dichtspitzen, die innerhalb der Kavität, in die das Deckband eingebettet ist, angeordnet sind, klein gehalten. Die Leckageströmung kann dennoch, insbesondere in aerodynamisch sehr hoch belasteten Schaufelreihen, die durch einen hohen statischen Druckanstieg und somit einen hohen Antrieb für die Leckageströmung gekennzeichnet sind, sehr schädliche Auswirkungen auf das Leistungsverhalten der Strömungsarbeitsmaschine haben.
Einen allgemeinen Stand der Technik zeigen die EP 1 531 234 B1 , US 6,508,624 B2 und/oder WO 01/83950 A1 .
Die Fig.1a zeigt schematisch einen Abschnitt einer Strömungsarbeitsmaschine, bestehend aus einer Rotorschaufelreihe und einer Statorschaufelreihe. Besonders hervorgehoben ist die Deckbandanordnung am äußeren Schaufelende des Rotors. Nach dem Stand der Technik besteht die Deckbandanordnung aus einer großen Kavität, die im Gehäuse vorgesehen ist und das Deckband zur Schaffung einer möglichst glatten äußeren Hauptströmungspfadbegrenzung vollständig in sich aufnimmt.
Die Fig.1b zeigt schematisch einen Abschnitt einer Strömungsarbeitsmaschine, bestehend aus einer festen Statorschaufelreihe und einer Rotorschaufelreihe. Besonders hervorgehoben ist die Deckbandanordnung am inneren Schaufelende des festen Stators. Nach dem Stand der Technik besteht die Deckbandanordnung aus einer großen Kavität, die in der Nabe vorgesehen ist und die das Deckband zur Schaffung einer möglichst glatten inneren Hauptströmungspfadbegrenzung vollständig in sich aufnimmt.
Die Fig.1c zeigt schematisch einen Abschnitt einer Strömungsarbeitsmaschine, bestehend aus einer Reihe verstellbarer (variabler) Statoren und einer Rotorschaufelreihe. Besonders hervorgehoben ist die Deckbandanordnung am inneren Schaufelende des Verstellstators. Nach dem Stand der Technik besteht die Deckbandanordnung auch hier aus einer großen Kavität, die in der Nabe vorgesehen ist und die das Deckband zur Schaffung einer möglichst glatten inneren Hauptströmungspfadbegrenzung vollständig in sich aufnimmt.
Die Fig.1d zeigt, stellvertretend für Deckbänder von verstellbaren oder festen Rotoren und Statoren, eine Anordnung aus drei Schaufelreihen am Rand des Hauptströmungspfades einer Strömungsarbeitsmaschine, bestehend aus einer stromauf liegenden Schaufelreihe, einer Schaufelreihe mit Deckband und einer stromab liegenden Schaufelreihe. Es kann sich bei dieser Darstellung sowohl um eine Region am Gehäuse als auch eine Region an der Nabe der Strömungsarbeitsmaschine handeln.
Das Deckband ist in ein umgebendes Bauteil oder eine umgebende Baugruppe (Rotornabe oder Gehäuse) eingebettet und fügt sich nach dem Stand der Technik ohne Überstand glatt in den Verlauf des Hauptströmungspfades ein. Das Deckband kann massiv oder auch (wie hier nicht gezeigt) hohl gestaltet sein und besteht aus einem oder mehreren Bauteilen. Die zwischen dem Deckband und dem umgebenden Bauteil auftretende Leckageströmung (kleine Pfeile), die entgegen der Hauptströmungsrichtung (dicker Pfeil) verläuft, wird durch eine Anzahl von Dichtspitzen gemindert. Die Dichtspitzen können am umgebenden Bauteil oder auch (wie hier nicht dargestellt) am Deckband selbst angeordnet sein. Zwischen dem umgebenden Bauteil und dem Deckband besteht üblicherweise eine Relativbewegung. Im Bereich des Deckbandes sind die Vorderkante (VK) und Hinterkante (HK) der betrachteten Schaufelreihe angedeutet. Ein dünner langer Pfeil charakterisiert die randnahe Strömung entlang der im Wesentlichen glatt verlaufenden Berandung des Hauptströmungspfades. Die Ringkanalabschnitte vor und hinter der dargestellten Schaufelreihe mit Deckband können entweder unbeschaufelt ausgeführt sein oder mit mindestens einer weiteren Schaufelreihe versehen sein.
Bei Deckbandanordnungen nach dem Stand der Technik ist der Leckagestrom im Wesentlichen durch den Spalt gegeben, den die Dichtspitzen mit der ihnen gegenüberliegenden Kontur bilden. Dabei steigt der Leckagestrom mit der aerodynamischen Belastung, die für die mit Deckband versehene Schaufelreihe gewählt wird, stark an. Die Folge sind schlechte Betriebskennwerte im Hinblick auf den Wirkungsgrad, die Stabilität und die Weite des Betriebsbereichs der Strömungsarbeitsmaschine.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaufelreihen von Strömungsarbeitsmaschinen wie Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren axialer oder halbaxialer Bauart mit gasförmigem oder flüssigem Arbeitsmedium. Die Strömungsarbeitsmaschine kann eine oder mehrere Stufen mit jeweils einem Rotor und einem Stator umfassen, in Einzelfällen wird die Stufe lediglich durch einen Rotor gebildet. Der Rotor besteht aus einer Anzahl von Schaufeln, die mit der rotierenden Welle der Maschine verbunden sind und Energie an das Arbeitsmedium abgeben. Der Rotor kann mit oder ohne Deckband am äußeren Schaufelende ausgeführt sein. Der Stator besteht aus einer Anzahl feststehender Schaufeln, die nabenseitig wie gehäuseseitig mit festem oder freiem Schaufelende ausgeführt sein können. Die Rotortrommel und die Beschaufelung sind üblicherweise von einem Gehäuse umgeben. Die Maschine kann auch einen Stator vor dem ersten Rotor, ein sogenanntes Vorleitrad aufweisen. Mindestens ein Stator oder Vorleitrad kann -abweichend von der unbeweglichen Fixierung- drehbar gelagert sein, um den Anstellwinkel zu verändern. Eine Verstellung erfolgt beispielsweise durch eine von außerhalb des Ringkanals zugängliche Spindel. Alternativ 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 alternativ eine Nebenstromkonfiguration derart aufweisen, dass sich der einstromige Ringkanal hinter einer bestimmten Schaufelreihe in zwei konzentrische Ringkanäle aufteilt, die ihrerseits mindestens jeweils eine weitere Schaufelreihe beherbergen. Fig. 2 zeigt beispielhaft vier mögliche Konfigurationen der Strömungsarbeitsmaschine.
Aus der DE 102 14 624 C1 ist eine Vorrichtung zur Abdichtung von Turbinenschaufeln bekannt. Diese Abdichtung umfasst eine Wabendichtung, welche mit Labyrinthspitzen zusammenarbeitet. Ein Teil der Kühlluft, welche durch den Innenraum der Turbinenschaufeln geleitet wird, tritt stromab der Dichtungsanordnung aus und wird in den Hauptströmungspfad rezirkuliert. Eine Beeinflussung der Dichtung und des gegebenenfalls auftretenden Leckagestroms findet nicht statt.
Aus der EP 1 384 855 A2 ist eine Dichtungsanordnung einer Turbinenschaufel vorbekannt. Die Abdichtung erfolgt mittels Dichtspitzen. Ein Teil der durch die Schaufelinnenräume geleiteten Kühlluft wird stromauf der Dichtung ausgeblasen und verhindert den Eintritt von Heißgas in den Dichtungsbereich. Ein weiterer Teil der Kühlluft verstärkt den Leckagestrom durch die Dichtung. Eine Verhinderung des Leckagestroms findet somit nicht statt.
Die DE 196 01 818 A1 beschreibt eine weitere Turbinenschaufelanordnung mit einem Deckband, wobei zusätzlich an der Oberkante der in Strömungsrichtung des Leckagestroms letzten Dichtrippe Kühlluft ausgeblasen wird.
Aus der DE 698 17 303 T2 ist eine gekühlte Statorschaufel bekannt, bei welcher, ähnlich der Konstruktion der oben genannten EP 1 384 855 A2 , Kühlluft aus dem Schaufelinnenraum ausgeleitet wird, wobei ein Teil der Kühlluft sich mit den Heißgasen vereinigt, während ein anderer Teil der Kühlluft durch die Labyrinthdichtung strömt und somit den Leckagestrom verstärkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsarbeitsmaschine sowie ein zugehöriges Deckband zu schaffen, welches sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad und optimierte Strömungsverhältnisse auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist für den Einsatz in einer Strömungsarbeitsmaschine eine Schaufeldeckbandanordnung geschaffen, die durch Generierung eines Fluidsperrstrahls die Leckage durch die Kavität um das Deckband unterbindet.
Im einzelnen umfasst die vorliegende Erfindung die Gestaltung des Deckbandes der Schaufelreihe (Rotor oder Stator) einer Strömungsarbeitsmaschine derart, dass

a.) die das Deckband bildende Baugruppe an mindestens einem Ort des Umfangs eine Innenkammer aufweist,
b.) die Innenkammer entweder durch mindestens eine Schaufel oder durch mindestens eine zusätzliche Zuleitung mit Fluid versorgt wird,
c.) die Innenkammer des Deckbandes über mindestens einen Auslasskanal mit dem Hauptströmungspfad oder der das Deckband umgebenden Kavität verbunden ist und auf diese Weise ein Fluidsperrstrahl ausgebildet wird mit, dessen Hilfe eine Leckageströmung durch die das Deckband umgebenden Kavität unterbunden wird.

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

Fig.1a:: Schaufel nach dem Stand der Technik, Rotor;
Fig.1b:: Schaufel nach dem Stand der Technik, fester Stator;
Fig.1c:: Schaufel nach dem Stand der Technik, Verstell-Stator;
Fig.1d:: Schaufeldeckbandkonfiguration, Stand der Technik;
Fig.2:: mögliche Konfigurationen erfindungsrelevanter Strömungsarbeitsmaschinen;
Fig.3a:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, ohne Anströmschräge, Variante 1;
Fig.3b:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, ohne Anströmschräge, Variante 2;
Fig.3c:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, ohne Anströmschräge, Variante 3;
Fig.4a:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, mit Anströmschräge am Hauptströmungspfad, Variante 1;
Fig.4b:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, mit Anströmschräge am Hauptströmungspfad, Variante 2;
Fig.4c:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, mit Anströmschräge in der Kavität;
Fig.4d:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, mit Anströmschräge am Boden der Kavität;
Fig.5a:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, mit kombinerter Dichtspitze und Anströmschräge am Boden der Kavität;
Fig.5b:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, mit kombinerter Dichtspitze und Anströmschräge nahe des Hauptströmungspfades, Variante 1;
Fig.5c:: Erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, mit kombinerter Dichtspitze und Anströmschräge nahe des Hauptströmungspfades, Variante 2;
Fig.6a:: Räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Deckbandes, beispielhaft für Anordnungen nach Fig.3c und Fig.4a;
Fig.6b:: Räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Deckbandes, periodisch variierende Weite des Auslasses.

Eine konventionelle Deckbandkonfiguration nach dem Stand der Technik, wie sie in Fig.1d gezeigt ist, sieht im Bereich der Hinterkante der betreffenden Schaufelreihe einen ungehinderten Eintritt der Randströmung in die Deckbandkavität vor, ohne dass die rezirkulierende Leckageströmung aktiv beeinflusst wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, vom Deckband aus einen Fluidsperrstrahl entstehen zu lassen, der den Leckagestrom verringert oder idealerweise unterbindet. Dies kann praktisch auf jeder der vier in Fig.1d bezeichneten Seiten des Deckbandes Innenseite geschehen:

1.) auf der Innenseite (an den Hauptströmungspfad grenzend);
2.) auf der Rückseite (stromabwärts weisend);
3.) auf der Außenseite (zum Kavitätenboden weisend);
4.) auf der Frontseite (stromaufwärts weisend).

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung des Sperrstrahls auf Innen-, Rück-, oder Außenseite.
Erfindungsgemäße Deckbandkonfigurationen sind in Fig.3a bis Fig.6 dargestellt. Die stromauf und stromab der betrachteten Schaufelreihe liegenden Bereiche des Hauptströmungspfades können selbstverständlich, auch wenn hier nicht mehr dargestellt, weitere Schaufelreihen beherbergen. Entscheidend für die vorliegende Erfindung ist die Gestaltung des Deckbandes der betrachteten Schaufelreihe.
Die Fig.3a bis Fig.3c zeigen beispielhaft erfindungsgemäße Deckbandkonfigurationen, die im Vergleich zur konventionellen Bauweise der Strömungsarbeitsmaschine keine zusätzlichen Änderungen der Bauteile in der Umgebung des Deckbandes erfordern.
Fig.3a zeigt eine Anordnung aus einem Teil des Hauptströmungspfades und das mit Deckband versehene Ende einer Schaufelreihe mit seiner Vorderkante (VK) und Hinterkante (HK).
Zwei dicke Pfeile deuten die Hauptströmung in der Strömungsarbeitsmaschine an. Die hier dargestellte erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass das Deckband mindestens eine Innenkammer aufweist, die sich über die Gesamtheit oder nur Teile des Umfangs erstreckt. Die Innenkammer wird durch mindestens eine Schaufel der zum Deckband gehörigen Schaufelreihe oder durch mindestens eine zusätzliche Leitung mit Fluid versorgt (siehe gestrichelter Pfeil). Die Innenkammer steht über mindestens einen Auslasskanal mit dem Hauptströmungspfad in Verbindung und besitzt eine Öffnung auf der Innenseite des Deckbandes.
Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn die Öffnung eines solchen Auslasses im Bereich der Hinterkante vorgesehen ist und eine düsenartige Form aufweist. Der aus der Öffnung strömende Fluidstrahl versperrt aufgrund seines geradlinigen Verlaufes entlang des Ringkanals den Zugang zur Deckbandkavität und unterbindet auf diese Weise einen gegen die Hauptströmungsrichtung weisenden Leckagestrom durch die Kavität. In besonderer Ausführung der Erfindung kann es, speziell aus Gründen der Verschleißminderung, vorteilhaft sein, die nach dem Stand der Technik stets vorgesehenen und hier gestrichelt am Boden der Kavität angedeutet Dichtspitzen nicht vorzusehen.
Die Fig.3b zeigt eine erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, bei der die Öffnung des Auslasskanals stromab der Hinterkante auf der Innenseite des Deckbandes angeordnet ist und so den Fluidsperrstrahl sehr nahe am Zugang zur Kavität erzeugt.
Die Fig.3c zeigt eine erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, bei der die Öffnung des Auslasskanals stromab der Hinterkante auf der Rückseite des Deckbandes angeordnet ist und so den Fluidsperrstrahl ebenfalls sehr nah am Zugang zur Kavität erzeugt. Diese Anordnung erfordert erfindungsgemäß im Bereich der Hinterkante der Schaufelreihe mit Deckband ein Vorstehen des Deckbandes in den Hauptströmungspfad zum Zwecke der Ausbildung eines erforderlichen Absatzes und Sicherstellung eines ungestörten Einströmens des Sperrstrahls in den weiteren Verlauf des Hauptströmungspfades.
Die Fig.4a zeigt eine erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, bei der die Öffnung des Auslasskanals stromab der Hinterkante auf der Rückseite des Deckbandes angeordnet ist und so den Fluidsperrstrahl ebenfalls sehr nah am Zugang zur Kavität erzeugt. Diese Anordnung sieht erfindungsgemäß kein Vorstehen des Deckbandes in den Hauptströmungspfad zum Zwecke der Ausbildung eines erforderlichen Absatzes vor, sondern stellt ein ungestörtes Einströmen des Sperrstrahls in den weiteren Verlauf des Hauptströmungspfades durch Vorsehung einer Anströmschräge an dem das Deckband umgebenden Bauteil vor, die gegebenenfalls auch in den beschaufelten Bereich einer eventuell stromab angeordneten Schaufelreihe hineinreichen kann. Die Anströmschräge befindet sich in direkter Verlängerung und Umgebung der Ausströmrichtung des Fluidstrahls aus der Auslassöffnung.
Die Fig.4b zeigt eine erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, bei der die Öffnung des Auslasskanals stromab der Hinterkante auf der Rückseite des Deckbandes angeordnet ist. Diese Anordnung sieht erfindungsgemäß zur Sicherstellung eines ungestörten Einströmens des Sperrstrahls in den weiteren Verlauf des Hauptströmungspfades einer Anströmschräge an dem das Deckband umgebenden Bauteil vor, die sich weit in Richtung des Kavitätenbodens fortsetzt und gegebenenfalls auch in den beschaufelten Bereich einer eventuell stromab angeordneten Schaufelreihe hineinreichen kann.
Die Fig.4c zeigt eine erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, bei der die Öffnung des Auslasskanals in Nähe der schräg orientierten Außen- beziehungsweise Rückseite des Deckbandes angeordnet ist. Diese Anordnung sieht erfindungsgemäß eine der Auslassöffnung gegenüberliegende Kontur der Kavität vor, die als Anströmschräge dient und auf diese Weise sichergestellt, dass die Sperrwirkung erreicht und das Fluid des Sperrstrahls den Weg zum Hauptströmungspfad findet.
Die Fig.4d zeigt eine erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, bei der die Öffnung des Auslasskanals in Nähe der Rückseite des Deckbandes auf der Außenseite des Deckbandes angeordnet ist. Diese Anordnung sieht erfindungsgemäß eine der Auslassöffnung etwa gegenüberliegende Anströmschräge vor, die vom Boden der Kavität ausgeht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Sperrwirkung erreicht und das Fluid des Sperrstrahls den Weg zum Hauptströmungspfad findet.
Die Fig.5a zeigt eine erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, bei der die Öffnung des Auslasskanals auf der Außenseite des Deckbandes angeordnet ist. Diese Anordnung sieht erfindungsgemäß eine der Auslassöffnung etwa gegenüberliegende Anströmschräge vor, die gleichzeitig Teil einer Dichtspitze am Boden der Kavität ist. Auf diese Weise wird auf baulich besonders günstige Weise sichergestellt, dass bei Vorhandensein von Dichtspitzen die Sperrwirkung erreicht und das Fluid des Sperrstrahls den Weg zum Hauptströmungspfad findet.
Die Fig.5b zeigt eine erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, bei der die Öffnung des Auslasskanals in Nähe der Rückseite des Deckbandes auf der Außenseite des Deckbandes angeordnet ist.
Diese Anordnung sieht erfindungsgemäß eine der Auslassöffnung etwa gegenüberliegende Anströmschräge vor, die gleichzeitig Teil einer Dichtspitze mit möglichst großer Nähe zum Hauptströmungspfad ist. Zum Boden der Kavität hin existiert mindestens ein weiterer Absatz.
Die Fig.5c zeigt eine erfindungsgemäße Deckbandkonfiguration, bei der die Öffnung des Auslasskanals in Nähe der Rückseite des Deckbandes auf der Außenseite des Deckbandes angeordnet ist. Diese Anordnung sieht erfindungsgemäß eine der Auslassöffnung etwa gegenüberliegende Anströmschräge vor, die gleichzeitig Teil einer Dichtspitze mit möglichst großer Nähe zum Hauptströmungspfad ist. Die Deckbandaußenseite und die Kavitätenoberfläche sind hier V-förmig gestaltet.
Die Fig.6a zeigt in räumlicher Darstellung ein erfindungsgemäßes Deckband am Beispiel der Anordnung nach Fig.3c oder Fig.4a. Erkennbar sind die Enden dreier Schaufeln einer mit Deckband versehenen Schaufelreihe mit stromaufwärts gerichtetem Blick auf die Hinterkanten der Schaufeln. Der Schnitt durch die Anordnung von Schaufel und Deckband am linken Rand der Abbildung zeigt schematisch die Führung von Fluid durch mindestens eine der Schaufeln zur Innenkammer des Deckbandes und das Ausströmen des Fluidsperrstrahls durch die Auslassöffnung an der Rückseite des Deckbandes.
Erfindungsgemäß kann vorteilhaft mindestens ein weiterer von einer der Innenkammern ausgehender Auslass vorgesehen sein, der entweder an derselben Seite oder an einer anderen Seite des Deckbandes angeordnet ist, beispielsweise:

a.) ein Auslass auf der Innenseite in Kombination mit einem Auslass auf der Rückseite des Deckbandes;
b.) ein Auslass auf der Rückseite in Kombination mit einem Auslass auf der Außenseite des Deckbandes (wie in Fig.6a gepunktet an gedeutet);
c.) zwei Auslässe auf der Innenseite in Maschinenachsrichtung hintereinander;
d.) zwei Auslässe auf der Rückseite in Schaufelhöhenrichtung übereineinander, usw.

In der in Fig.6a gewählten Darstellung besteht die Auslassöffnung aus einem achsensymmetrischen, durchgehenden Schlitz konstanter Weite. Erfindungsgemäß sind jedoch ebenfalls funktional ähnlich wirkende Auslassöffnungen, wie:

a.) ein in Umfangsrichtung unterbrochener Schlitz;
b.) ein in Umfangsrichtung unterbrochener Schlitz, wobei die Anzahl der Unterbrechungen als Einfaches oder Vielfaches der Anzahl der Schaufeln gegeben ist;
c.) eine Lochreihe in Umfangsrichtung;
d.) eine Anordnung aus geneigten und gegebenenfalls in Umfangsrichtung überlappenden Schlitzen; usw.

Die im Zusammenhang mit Fig.6a geschilderten Merkmale mehrfacher Auslässen sowie funktionalähnlicher Auslassformen gelten selbstverständlich nicht nur für die dargestellte Formation mit Auslass an der Deckbandrückseite, sondern für alle weiteren als erfindungsgemäß dargelegten Auslassanordnungen.
Die Fig.6b zeigt schließlich eine Anordnung ähnlich wie in Fig.6a, jedoch mit einer periodisch in Umfangsrichtung variierenden Weite des Auslasses. Erfindungsgemäß besonders günstig ist es, wenn die Periode, mit der die Auslassweite schwankt, im Wesentlichen übereinstimmt mit der von den zugehörigen Schaufeln der Schaufelreihe vorgegebenen Teilung, d. h. S ungefähr gleich oder gleich P.

Weitere Beschreibung der Erfindung:

Punkt 1:

Deckband einer Schaufelreihe von verdrehbaren oder unverdrehbar fixierten Stator- oder Rotorschaufeln für die Verwendung in einer Strömungsarbeitsmaschine, insbesondere in einem Flugtriebwerkverdichter, mit besonderer Gestaltung zur Reduzierung rezirkulierender Leckageströme durch die Deckbandkavität und dadurch gekennzeichnet, dass:

a.) die das Deckband bildende Baugruppe über der Gesamtheit oder einen Teil des Umfangs mindestens eine Innenkammer aufweist;
b.) die mindestens eine Innenkammer entweder durch mindestens eine Schaufel oder durch mindestens eine zusätzliche Zuleitung aus einer zur Verfügung stehenden Quelle mit Fluid versorgt wird;
c.) die mindestens eine Innenkammer über mindestens einen Auslass mit dem die Schaufeln umgebenden Hauptströmungspfad oder der das Deckband umgebenden Kavität verbunden ist;
d.) der mindestens eine Auslass sich über die Gesamtheit oder einen Teil des Umfangs erstreckt und an einer der vier Seiten des Deckbandes (Innen-, Rück-, Außen-, Frontseite) angeordnet ist;
e.) die Form des Auslasses und die Form der Auslassöffnung so beschaffen sind, dass vom Auslass ein Fluidsperrstrahl ausgeht; der eine Rezirkulation von Fluid durch die Deckbandkavität unterbindet.

Punkt 2:

Deckband nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass zur Sperrstrahlerzeugung am Hauptströmungspfad auf der Deckbandinnenseite in Nähe der Schaufelhinterkante angeordnet ist.

Punkt 3:

Deckband nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass zur Sperrstrahlerzeugung in unmittelbarer Nähe des Hauptströmungspfades auf der Deckbandrückseite angeordnet ist und das Deckband in diesem Bereich zur Ermöglichung einer ungestörten Ausbreitung des Fluidsperrstrahls entlang der Begrenzung des Hauptströmungspfades einen Absatz (Überstand) aufweist.

Punkt 4:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass zur Sperrstrahlerzeugung in unmittelbarer Nähe des Hauptströmungspfades auf der Deckbandrückseite angeordnet ist und in direkter Verlängerung des Auslasskanals eine Anströmschräge an dem das Deckband umgebenden Bauteil geschaffen ist, gegen die der Fluidsperrstrahl gerichtet ist und die im weiteren Verlauf ein Anschmiegen des Fluidsperrstrahls an die Begrenzung des Hauptströmungspfades sicherstellt.

Punkt 5:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass zur Sperrstrahlerzeugung auf der Deckbandaußenseite angeordnet ist und in direkter Verlängerung des Auslasskanals an dem das Deckband umgebenden Bauteil eine Anströmschräge geschaffen ist, gegen die der Fluidsperrstrahl gerichtet ist und die im weiteren Verlauf ein Anschmiegen des Fluidsperrstrahls an die Begrenzung der Deckbandkavität und eine Zuführung des Sperrstrahlfluids zum Hauptströmungspfad sicherstellt.

Punkt 6:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmschräge an eine als Dichtspitze ausgeformte Erhebung der das Deckband umgebenden Kavitätenkontur grenzt und auf diese Weise eine örtlich und funktionell kombinierte Wirkung von Dichtspitze und Sperrstrahl erreicht wird.

Punkt 7:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnitt der Strömungsarbeitsmaschine betrachtet mindestens ein weiterer von einer der Innenkammern ausgehender Auslass an anderer Position auf einer der Deckbandseiten vorgesehen ist.

Punkt 8:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auslassöffnung durch einen achsensymmetrischen, in Umfangsrichtung durchgehenden Schlitz konstanter Weite gebildet wird.

Punkt 9:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auslassöffnung durch einen achsensymmetrischen, in Umfangsrichtung unterbrochenen Schlitz konstanter Weite gebildet wird.

Punkt 10:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Unterbrechungen als Einfaches oder Vielfaches der Anzahl der Schaufeln der betreffenden Schaufelreihe mit Deckband gegeben ist.

Punkt 11:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auslassöffnung durch eine in Umfangsrichtung verlaufenden Reihe von Löchern gegeben ist.

Punkt 12:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auslassöffnung durch eine in Umfangsrichtung orientierte Gruppierung von gegen die Umfangsrichtung geneigten und gegebenenfalls in Umfangsrichtung überlappenden Schlitzen gegeben ist.

Punkt 13:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite der Auslassöffnung periodisch in Umfangsrichtung schwankt und der Umfangswinkelbetrag bzw. die Umfangslänge der Schwankungsperiode P im Wesentlichen mit dem Umfangswinkelbetrag bzw. der Umfangslänge einer Schaufelteilung S übereinstimmt oder ein Vielfaches bildet.

Punkt 14:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal zur Auslassöffnung hin einen kontrahierenden und damit düsenförmigen Querschnittsverlauf besitzt.

Punkt 15:

Deckband nach einem der Punkte 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass außer in Kombination mit einer Anströmschräge, die die Wirksamkeit des Fluidsperrstrahls sichert, keine weiteren Dichtspitzen am Deckband oder an der Kavitätenkontur vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung erlaubt eine deutlich höhere aerodynamische Belastbarkeit von Rotoren und Statoren in Strömungsarbeitmaschinen, bei gleichbleibendem oder erhöhtem Wirkungsgrad. Bei Einsatz des Konzeptes im Hochdruckverdichter eines Flugtriebwerkes mit rund 25000 Pfund Schub ist eine Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauches von bis zu 0,5% zu erwarten.

Bezugszeichenliste

1: Schaufel
2: Deckband
3: Ausnehmung
4: Gehäuse
5: Nabe
6: Maschinenachse
7: Innenkammer
8: Auslass
9: Kavität
10: Anströmschräge
11: Auslass

Claims

Strömungsarbeitsmaschine mit einem Hauptströmungspfad, in welchem zumindest eine Reihe von Schaufeln (1) angeordnet ist, welche Energie an ein den Hauptströmungspfad durchströmendes Medium abgeben, und welche mit einem Deckband (2) versehen sind, welches in eine eine Kavität (9) bildende Ausnehmung (3) eines Bauteils eingebettet ist, wobei das Bauteil und die Schaufeln (1) eine rotierende Relativbewegung zueinander ausführen, wobei durch die Kavität (9) eine entgegen der Hauptströmungsrichtung im Hauptströmungspfad verlaufende Leckageströmung verläuft,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die das Deckband bildende Baugruppe mindestens eine

- Innenkammer (7) aufweist,

- dass die mindestens eine Innenkammer (7) aus einer Quelle mit Fluid versorgbar ist,

- dass die mindestens eine Innenkammer (7) über mindestens einen Auslass (8) mit dem die Schaufeln (1) umgebenden Hauptströmungspfad oder der das Deckband (2) umgebenden Kavität (9) verbunden ist,

- dass der mindestens eine Auslass (8) an einer Seite des Deckbands (2) angeordnet ist, und

- dass die Form des Auslasses (8) und die Form der Auslassöffnung so beschaffen sind, dass vom Auslass (8) ein Fluidsperrstrahl ausgeht, der eine Rezirkulation von Fluid durch die Kavität (9) unterbindet.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Deckband (2) bildende Baugruppe über die Gesamtheit des Umfangs die mindestens eine Innenkammer (7) aufweist.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Deckband bildende Baugruppe über einen Teil des Umfangs die mindestens eine Innenkammer (7) aufweist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Innenkammer (7) durch mindestens eine Schaufel (1) aus der Quelle mit Fluid versorgbar ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Innenkammer (7) durch mindestens eine zusätzliche Zuleitung aus der Quelle mit Fluid versorgbar ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass (8) zur Sperrstrahlerzeugung am Hauptströmungspfad auf der Deckbandinnenseite in Nähe einer Schaufelhinterkante angeordnet ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass (8) zur Sperrstrahlerzeugung in unmittelbarer Nähe des Hauptströmungspfades auf der Deckbandrückseite angeordnet ist und das Deckband (2) in diesem Bereich zur Ermöglichung einer ungestörten Ausbreitung des Fluidsperrstrahls entlang der Begrenzung des Hauptströmungspfades einen Überstand aufweist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Anspruche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass (8) zur Sperrstrahlerzeugung in unmittelbarer Nähe des Hauptströmungspfades auf der Deckbandrückseite angeordnet ist und in direkter Verlängerung des Auslasses (8) eine Anströmschräge (10) an dem das Deckband (2) umgebenden Bauteil geschaffen ist, gegen die der Fluidsperrstrahl gerichtet ist und die im weiteren Verlauf ein Anschmiegen des Fluidsperrstrahls an die Begrenzung des Hauptströmungspfades sicherstellt.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass (8) zur Sperrstrahlerzeugung auf der Deckbandaußenseite angeordnet ist und in direkter Verlängerung des Auslasses an dem das Deckband (2) umgebenden Bauteil eine Anströmschräge (10) geschaffen ist, gegen die der Fluidsperrstrahl gerichtet ist und die im weiteren Verlauf ein Anschmiegen des Fluidsperrstrahls an die Begrenzung der Deckbandkavität und eine Zuführung des Sperrstrahlfluids zum Hauptströmungspfad sicherstellt.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmschräge (10) an eine als Dichtspitze ausgeformte Erhebung der das Deckband umgebenden Kavitätenkontur grenzt und auf diese Weise eine örtlich und funktionell kombinierte Wirkung von Dichtspitze und Sperrstrahl erreicht wird.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnitt der Strömungsarbeitsmaschine mindestens ein weiterer, von einer Innenkammer (7) ausgehender Auslass (11) an anderer Position auf einer der Deckbandseiten vorgesehen ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass (8, 11) durch einen achsensymmetrischen, in Umfangsrichtung durchgehenden Schlitz konstanter Weite gebildet wird.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass (8, 11) durch einen achsensymmetrischen, in Umfangsrichtung unterbrochenen Schlitz konstanter Weite gebildet wird.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Unterbrechungen als Einfaches oder Vielfaches der Anzahl der Schaufeln (1) der betreffenden Schaufelreihe mit Deckband (2) gegeben ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass (8, 11) durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Reihe von Löchern gebildet ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auslass (8, 11) durch eine in Umfangsrichtung orientierte Gruppierung von gegen die Umfangsrichtung geneigten und/oder in Umfangsrichtung überlappenden Schlitzen gegeben ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite des Auslasses (8, 11) periodisch in Umfangsrichtung schwankt und der Umfangswinkelbetrag bzw. die Umfangslänge der Schwankungsperiode (P) im Wesentlichen mit dem Umfangswinkelbetrag bzw. der Umfangslänge einer Schaufelteilung (S) übereinstimmt oder ein Vielfaches bildet.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslasskanal zum Auslass (8, 11) hin einen kontrahierenden und/oder düsenförmigen Querschnittsverlauf aufweist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass außer in Kombination mit der Anströmschräge (10), die die Wirksamkeit des Fluidsperrstrahls sichert, keine weiteren Dichtspitzen am Deckband (2) oder an der Kontur der Kavität (9) vorgesehen sind.