EP2808556B1

EP2808556B1 - Strukturbaugruppe für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: EP2808556B1
Application number: EP14170055.9A
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: 2013-05-31
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: DE102013210167A1; US20140356143A1; US9822792B2; EP2808556A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einer Strukturbaugruppe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die aerodynamische Belastbarkeit und die Effizienz von Strömungsmaschinen, im Besonderen von Strömungsarbeitsmaschinen wie Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren, wird durch das Wachstum und die Ablösung von Grenzschichten im Rotor- und Statorspitzenbereich nahe der Gehäuse- beziehungsweise Nabenwand begrenzt. Dies führt bei Schaufelreihen mit Laufspalt bei höherer Belastung zu hohen Sekundärverlusten und ggf. zum Auftreten von Betriebsinstabilitäten.
Als Gegenmaßnahme ist es bekannt, sogenannte Casing Treatments einzusetzen. Die einfachste Form von Casing Treatments sind Umfangsnuten mit rechteckigem oder parallelogrammförmigem Querschnitt, wie beispielsweise in EP 0 754 864 A1 offenbart und in der Fig. 1a beispielhaft skizziert ist. Andere Lösungen sehen Reihen von Schlitze oder Öffnungen im Gehäuse vor, wobei die einzelnen Schlitze/Öffnungen im Wesentlichen in Strömungsrichtung orientiert sind und eine schlanke Form mit einer in Umfangsrichtung der Maschine betrachtet geringen Ausdehnung besitzen. Solche Lösungen sind beispielsweise in der DE 101 35 003 C1 offenbart und in der Fig. 1b beispielhaft skizziert.
Weitere Casing Treatments sind als Ring am gesamten Umfang im Bereich eines Rotors im Gehäuse vorgesehen, wobei oftmals Leitschaufeln zur Reduzierung des Strömungsdralls innerhalb des Casing Treatments vorgesehen sind; so beispielsweise in den Druckschriften EP 0 497 574 A1 , US 2005-0226717 A1 , US 6 585 479 B2 , US 2005-0226717 A1 und DE 103 30 084 A1 .
Existierende Konzepte von Casing Treatments in Form von Schlitzen und/oder Kammern in der Ringkanalwand bieten eine Steigerung der Stabilität der Strömungsarbeitsmaschine. Die wird jedoch aufgrund der ungünstig gewählten Anordnung oder Formgebung nur bei Verlust an Wirkungsgrad erzielt. Bekannte Lösungen nehmen zudem einen großen Bauraum an der Peripherie des Ringkanals der Strömungsarbeitsmaschine ein, sie sind aufgrund ihrer Form (z. B. einfache parallelogrammförmige Umfangsgehäusenuten) nur bedingt wirksam und sie sind stets im Gehäuse im Bereich einer Rotorschaufelreihe vorgesehen. Casing Treatments nach dem Stand der Technik sind darauf ausgerichtet, dass sie mit Hilfe zumeist spanender Bearbeitung einfach von einer zugänglichen Seite in das Gehäuse eingebracht werden können.
Aus der DE 10 2008 037 154 A1 ist eine Strömungsarbeitsmaschine bekannt, die im Bereich der Schaufelvorderkante in einer Hauptströmungspfadberandung mindestens einen Sekundärströmungskanal ausbildet, der zwei an der Hauptströmungspfadberandung angeordnete Öffnungen miteinander verbindet. Jeder Sekundärströmungskanal verbindet dabei jeweils eine Entnahmeöffnung mit einer weiter stromauf vorgesehenen Zufuhröffnung. Durch die Bereitstellung solcher Sekundärströmungskanäle kann in wirkungsvoller Weise eine Grenzschichtbeeinflussung im Schaufelspitzenbereich erfolgen und dadurch eine Steigerung der Stabilität einer Strömungsarbeitsmaschine erreicht werden, ohne dass ein aufwändiges Casing Treatment am gesamten Gehäuseumfang im Bereich eines Rotors erforderlich ist. Jedoch können komplexe Sekundärströmungskanäle im Bereich des Gehäuses oder der Nabe nur durch besondere konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen realisiert werden.
Die EP 1 659 293 A2 offenbart eine Strukturbaugruppe für eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Dabei bilden ein Stützbauteil und ein Verbindungsbauteil gemeinsam einen Sekundärströmungskanal aus.
Aus der EP 1 286 022 A1 offenbart in der Figur 2 einen Sekundärströmungskanal, der in einer äußeren Plattform einer Statoranordnung ausgebildet ist. Dabei ist eine der Enden des Sekundärströmungskanals in der Hauptströmungspfadberandung ausgebildet. Das andere Ende des Sekundärströmungskanals endet beabstandet zur Hauptströmungspfad berandung.
Die DE 196 47 605 A1 offenbart in der Figur 2 ein Verdichterteil eines Abgasturboladers. Dabei ist ein einem Verdichterrad zugeordneter Bypass vorgesehen, der zwei radiale Nuten und eine diese verbindende Ringkammer aufweist.
Die EP 2 639 411 A1 betrifft ein Gehäuse für eine Strömungsmaschine mit einem Ringraumkanal, der jedoch explizit Ventileinrichtungen zum Auf- und Zusteuern der Ringraumöffnungen vorsieht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Strömungsmaschine mit einer Strukturbaugruppe zur Verfügung zu stellen, die in effizienter Weise Sekundärströmungskanäle, auch solche komplexer Form, im Bereich einer Hauptströmungspfadberandung der Strömungsmaschine (d.h. im Bereich des Gehäuses oder der Nabe) bereitstellen kann. Dabei soll eine räumlich kompakte und robuste strukturelle Bauweise bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Strömungsmaschine mit einer Strukturbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Strukturbaugruppe durch mindestens zwei miteinander verbundene Bauteile gebildet ist, nämlich mindestens ein Stützbauteil und mindestens ein Verbindungsbauteil, wobei das Stützbauteil zumindest teilweise die Hauptströmungspfadberandung bildet und wobei das Verbindungsbauteil zumindest einen Teilabschnitt des Sekundärströmungskanals bildet oder umgibt. Letzteres bedeutet, dass das Verbindungsbauteil für sich genommen (d.h. nicht zusammen mit weiteren Bauteilen) zumindestens einen Teilabschnitt des Sekundärströmungskanals bildet oder umgibt. Mit anderen Worten umgibt das Verbindungsbauteil zumindest einen Teilabschnitt des Sekundärströmungskanals derart vollständig, dass alle benetzten Oberflächen des Sekundärströmungskanals in diesem Teilabschnitt ungeteilt dem Verbindungsbauteil zugehören.
Die Erfindung betrachtet somit einen Abschnitt des Hauptströmungspfades einer Strömungsmaschine, im Bereich einer Schaufelreihe mit freiem Ende und Laufspalt, in dem eine Reihe von in Umfangsrichtung verteilten Sekundärströmungskanälen vorgesehen ist. Der Verlauf der Sekundärströmungskanäle kann jeweils räumlich komplex sein. Erfindungsgemäß wird eine Strukturbaugruppe zur konstruktiven Realisierung der genannten Sekundärströmungskanäle bereitgestellt.
Die Erfindung sieht vor, dass jeder Sekundärströmungskanal innerhalb einer Meridianansicht in drei Teilabschnitte unterteilt ist: einen hinteren Teilabschnitt, der mit einer Öffnung in den Hauptströmungspfad mündet, einen vorderen Teilabschnitt, der mit einer Öffnung in den Hauptströmungspfad mündet, und einen mittleren Teilabschnitt, der die beiden anderen Teilabschnitte miteinander verbindet. Weiter kann vorgesehen sein, dass das Verbindungsbauteil mit dem Stützbauteil im Wesentlichen auf dessen dem Hauptströmungspfad abgewandten Seite verbunden ist.
Ferner weist der mindestens eine Sekundärströmungskanal an den in Strömungsrichtung beabstandeten Enden jeweils eine Öffnung auf, die in der Hauptströmungspfadberandung ausgebildet ist, so dass der Sekundärströmungskanal mittels der beiden Öffnungen mit dem Hauptströmungspfad verbunden ist, wobei in den beiden Öffnungen jeweils - anders als in der EP 2 639 411 A1 - keine Ventileinrichtung zum Auf- und Zusteuern der beiden Öffnungen angeordnet ist.
Das Stützbauteil kann in Ausführungsvarianten der Erfindung als Ringgehäuse einer Strömungsmaschine, als Halbschalengehäuse einer Strömungsmaschine, ringartig an der Nabe einer Strömungsmaschine, oder halbringartig an der Nabe einer Strömungsmaschine ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sekundärströmungskanal als einpfadiger Kanal ausgeführt, mit einer ersten Öffnung, durch die Fluid in den Sekundärströmungskanal einströmt, und mit einer zweiten Öffnung, durch die Fluid den Sekundärströmungskanal verlässt.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass beide in den Hauptströmungspfad mündenden Teilabschnitte des Sekundärströmungskanals direkt im Stützbauteil vorgesehen sind. Dabei ist nur ein mittlerer Abschnitt des Sekundärströmungskanals im Verbindungsbauteil ausgebildet.
Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der in den Hauptströmungspfad mündenden Teilabschnitte des Sekundärströmungskanals mit Hilfe eines spanenden Verfahrens, eines elektro-chemischen Verfahrens oder eines Laserverfahrens direkt in das Stützbauteil eingebracht ist.
Eine weitere Erfindungsvariante sieht vor, dass wenigstens einer der in den Hauptströmungspfad mündenden Teilabschnitte eines Sekundärströmungskanals wenigstens teilweise als Zylinder mit elliptischem oder kreisrundem Querschnitt im Stützbauteil ausgeführt ist.
Zur Ausbildung wenigstens eines Kanalteilabschnitts des Sekundärströmungskanals kann vorgesehen sein, an der dem Hauptströmungspfad abgewandten Seite des Stützbauteils wenigstens einen Stutzen und/oder einen Steg auszubilden. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass wenigstens ein Sekundärströmungskanalteilabschnitt durch einen Steg oder einen Stutzen des Stützbauteils verläuft, wobei weiter vorgesehen sein kann, dass der wenigstens eine Steg oder Stutzen an mindestens einem separaten Adapter ausgebildet ist, wobei der Adapter vom Stützbauteil aufgenommen ist, beispielsweise in dieses eingesetzt ist. Diese Ausführungsvariante ist mit dem Vorteil verbunden, dass ggf. komplexe Strukturen zur Realisierung eines Sekundärströmungskanalteilabschnitts nicht im Stützbauteil selbst ausgebildet werden müssen, sondern in einem oder mehreren entsprechenden Adaptern, die in das Stützbauteil eingesetzt werden, ausgebildet werden können.
Eine weitere Erfindungsvariante sieht vor, dass das Verbindungsbauteil einen Teilabschnitt des Sekundärströmungskanals umgibt und wenigstens an einen direkt in das Stützbauteil eingebrachten Sekundärströmungskanalteilabschnitt anschließt. Ein Anschluss des Verbindungsbauteils an das Stützbauteil erfolgt beispielsweise durch eine Passung, eine Steckung, eine Klemmung, eine Verschraubung, eine Schweißung oder eine Lötung.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung schließt sich das Verbindungsbauteil sowohl an einen ersten direkt in das Stützbauteil eingebrachten Teilabschnitt als auch an einen zweiten direkt in das Stützbauteil eingebrachten Teilabschnitt an, wobei das Verbindungsbauteil einen dritten Teilabschnitt des Sekundärströmungskanals bildet oder umschließt und die Verbindung zwischen den ersten und zweiten Teilabschnitten bildet.
Es kann vorgesehen sein, dass das Verbindungsbauteil als Ringsektor ausgebildet ist und mindestens zwei Sekundärströmungskanäle beherbergt. Dabei ist das das Verbindungsbauteil beispielsweise als Halbring oder als Vollring ausgebildet.
Gemäß eines weiteren Ausgestaltung ist ein Anschluss des Verbindungsbauteils an das Stützbauteil durch eine Passung, eine Steckung, eine Klemmung, eine Verschraubung, eine Schweißung oder eine Lötung realisiert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungsbauteil nicht einteilig ausgeführt, sondern besteht es aus mehreren Teilbauteilen, die miteinander verbunden sind. Hierdurch kann eine zusätzliche Flexibilität bei der Herstellung und Montage des Verbindungsbauteils bereitgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Strukturbaugruppen für Strömungsmaschinen wie Turbinen, und im besonderen Strömungsarbeitsmaschinen wie Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren, sowohl in axialer, halbaxialer als auch in radialer Bauart. Das Arbeitsmedium oder Fluid kann gasförmig oder flüssig sein. Die Strömungsmaschine 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 einer Strömungsmaschine, in der eine erfindungsgemäße Strukturbaugruppe eingesetzt wird, besteht aus einer Anzahl von Schaufeln, die mit der rotierenden Welle der Strömungsmaschine verbunden sind und im Fall der Strömungsarbeitsmaschine Energie an das Arbeitsmedium abgeben. Der Rotor kann mit oder ohne Deckband am äußeren Schaufelende ausgeführt sein.
Der Stator einer Strömungsmaschine, in der eine erfindungsgemäße Strukturbaugruppe eingesetzt wird, 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. In anderen Fällen, z. B. bei Propellern oder Schiffsschrauben, existiert kein Gehäuse.
Eine Strömungsmaschine, in der eine erfindungsgemäße Strukturbaugruppe eingesetzt wird, kann auch einen Stator vor dem ersten Rotor, ein sogenanntes Vorleitrad, aufweisen. Mindestens ein Stator oder Vorleitrad kann - abweichend von einer unbeweglichen Fixierung - drehbar gelagert sein, um den Anstellwinkel verändern zu können. Eine Verstellung erfolgt beispielsweise durch eine von außerhalb des Ringkanals zugängliche Spindel.
In einer Ausgestaltung kann eine Strömungsmaschine, in der eine erfindungsgemäße Strukturbaugruppe eingesetzt wird, mindestens eine Reihe verstellbarer Rotoren aufweisen.
In einer Ausgestaltung kann eine Strömungsmaschine, in der eine erfindungsgemäße Strukturbaugruppe eingesetzt wird, bei Mehrstufigkeit zwei gegenläufige Wellen besitzen, so dass die Rotorschaufelreihen von Stufe zu Stufe die Drehrichtung wechseln. Hierbei existieren keine Statoren zwischen aufeinanderfolgenden Rotoren.
In einer Ausgestaltung kann eine Strömungsmaschine, in der eine erfindungsgemäße Strukturbaugruppe eingesetzt wird, eine Nebenstromkonfiguration derart aufweisen, dass sich ein einstromiger Ringkanal hinter einer bestimmten Schaufelreihe in zwei konzentrische Ringkanäle aufteilt, die ihrerseits mindestens jeweils eine weitere Schaufelreihe beherbergen.
Bei der Strömungsmaschine, in der eine erfindungsgemäße Strukturbaugruppe eingesetzt wird, handelt es sich beispielsweise um ein Strahltriebwerk, insbesondere ein Turbofan-Triebwerk. Die Strukturbaugruppe ist beispielsweise im Bereich eines Verdichters eines Strahltriebwerks bzw. Turbofan-Triebwerk ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A: ein Casing Treatment eines Rotorgehäuses in Form von Ringnuten gemäß dem Stand der Technik in zwei Ansichten;
Fig. 1B: ein Casing Treatment eines Rotorgehäuses in Form von Schlitzen gemäß dem Stand der Technik in zwei Ansichten;
Fig. 2A: ein Ausführungsbeispiel eines Rotorgehäuses einer Strömungsmaschine mit einem Sekundärströmungskanal in einem Meridianschnitt;
Fig. 2B: ein Ausführungsbeispiel eines Rotorgehäuses einer Strömungsmaschine mit einem Sekundärströmungskanal in räumlicher Ansicht;
Fig. 3A: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Strukturbaugruppe für eine Strömungsmaschine, die einen Sekundärströmungskanal ausbildet;
Fig. 3B: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Strukturbaugruppe für eine Strömungsmaschine, die einen Sekundärströmungskanal ausbildet; und
Fig. 3C: ein Beispiel einer Strukturbaugruppe für eine Strömungsmaschine, die einen Sekundärströmungskanal ausbildet.

Bei dem in Fig. 3c dargestellten Beispiel einer Strukturbaugruppe für eine Strömungsmaschine handelt es sich nicht um einen Teil der Erfindung, sondern um einen Stand der Technik, der das Verständnis der Erfindung erleichtert.
Verschiedene Casing Treatments eines Rotorgehäuses gemäß dem Stand der Technik waren eingangs anhand der Figuren 1A und 1B beschrieben worden.
Die Fig. 2A zeigt eine Anordnung einer Schaufelreihe 3 mit freiem Ende und Laufspalt 5 in der durch die Axialrichtung x und die Radialrichtung r gebildeten Meridianebene. Der Laufspalt 5 trennt die Schaufelspitze von einem zum Hauptströmungspfad gehörenden Bauteil 2 an der Nabe oder dem Gehäuse der Strömungsarbeitsmaschine. Das Bauteil 2 bildet dabei zum Hauptströmungspfad hin eine Hauptströmungspfadberandung 4 aus.
Zwischen der Schaufelspitze und dem zum Hauptströmungspfad gehörenden Bauteil 2 liegt eine rotierende Relativbewegung vor. Die Darstellung gilt somit gleichermaßen für folgende Anordnungen: 1.) rotierende Schaufel an stehendem Gehäuse; 2.) ruhende Schaufel an rotierender Nabe; 3.) ruhende Schaufel an rotierendem Gehäuse; und 4.) rotierende Schaufel an stehender Nabe.
Die Hauptströmungsrichtung im Hauptströmungspfad ist mit einem Pfeil A gekennzeichnet. Stromauf und/oder stromab der Schaufelreihe 3 mit Laufspalt können sich weitere Schaufelreihen befinden. Innerhalb des zum Hauptströmungspfad gehörenden Bauteils 2 ist im Bereich des Laufspaltes 5 eine Reihe von am Umfang verteilten Sekundärströmungskanälen 1 vorgesehen, die an ihren Enden jeweils eine Öffnung ausbilden (Zuführöffnung und Entnahmeöffnung).
Die Öffnungen der Sekundärströmungskanäle befinden sich an der Hauptströmungspfadberandung 4. Die Fig. 2A zeigt den Umriss beziehungsweise die Projektion eines einzelnen Sekundärströmungskanals 1 in der Meridianebene (x-r). In räumlicher Betrachtung besitzt jeder Kanal 1 einen dreidimensionalen räumlich verwundenen Verlauf, der in der Fig. 2B beispielhaft dargestellt ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Querschnittsform der Sekundärströmungskanäle 1 in der Fig. 2B lediglich beispielhaft als rechteckig angegeben ist. Beispielsweise kann der Querschnitt der Sekundärströmungskanäle 1 in anderen Ausführungsvarianten ohne Ecken, insbesondere kreisförmig oder elliptisch ausgebildet sein.
Die Figur 3A zeigt eine erfindungsgemäße Strukturbaugruppe im Bereich einer Schaufelreihe mit Laufspalt in der Meridianansicht (x-r). Die Hauptströmungsrichtung ist mit einem Pfeil A gekennzeichnet. Die Schaufelreihe ist zu Gunsten einer einfacheren Darstellung nicht mehr gezeigt.
In der Strukturbaugruppe ist mindestens ein Sekundärströmungskanal 1 ausgebildet, der zwei Öffnungen 111, 112 in der Hauptströmungspfadberandung aufweist und über diese mit dem Hauptströmungspfad verbunden ist. Dabei wird darauf hingewiesen, dass in dem Ausführungsbeispiel der Figur 3A der Sekundärströmungskanal 1 als einpfadiger Pfad ausgeführt ist mit einer Öffnung, durch die Fluid aus dem Hauptströmungskanal in den Sekundärströmungskanal einströmt und einer zweiten Öffnung, durch die Fluid den Sekundärströmungskanal verlässt. Durch welche der Öffnungen 111, 112 Fluid einströmt und durch welche der Öffnungen 111, 112 Fluid ausströmt, hängt dabei von der genauen Positionierung der Öffnungen 111, 112 im Hinblick auf die Schaufeln der Schaufelreihe 3 (vgl. Fig. 2B) ab.
In alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Sekundärströmungskanäle durch eine Anordnung gebildet ist, bei der sich ein Einzelkanal entlang seines Verlaufes in wenigstens zwei Teilkanäle aufteilt und dadurch eine Art "Hosenkonfiguration" bildet. Für diesen Fall sind eine Einströmöffnung und mehrere Ausströmöffnungen vorgesehen, die zu dem Sekundärströmungskanal gehören. Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Sekundärströmungskanäle durch eine Anordnung gebildet ist, bei der wenigstens zwei Kanäle zu einem Kanal zusammengeführt werden, wobei dann mehrere Einströmöffnungen und eine Ausströmöffnung zu dem Sekundärströmungskanal gehören.
Gemäß der Figur 3A ist der Sekundärströmungskanal 1 durch zwei miteinander verbundene Bauteile realisiert, ein Stützbauteil 21 und ein Verbindungsbauteil 22. Das Stützbauteil 21 kann zum außen liegenden Gehäuse oder zur innen liegenden Nabe der Strömungsmaschine gehören und bildet mit einem Teil seiner Flächen die Hauptströmungspfadberandung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel stellt das Stützbauteil 21 einen Teil des außen liegenden Gehäuses der Strömungsmaschine dar. Grundsätzlich kann das Stützbauteil 21 insbesondere Bestandteil der Strömungsmaschinenkonstruktion in folgenden Bereichen sein:

Bestandteil eines ein- oder mehrschaligen Gehäuses von Schaufelreihen oder Stufen mit fester Schaufelgeometrie;
Bestandteil eines ein- oder mehrschaligen Gehäuses von Schaufelreihen oder Stufen mit verstellbarer Schaufelgeometrie;
Bestandteil von Rotortrommeln, Rotorscheiben oder Blisk-Modulen;
Bestandteil von Innendeckbandbaugruppen im Nabenbereich von Leitradschaufeln.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 3A ist das Stützbauteil als Ringgehäuse einer Strömungsmaschine oder als Halbschalengehäuse einer Strömungsmaschine ausgebildet. Bei einer entsprechenden Anordnung im Nabenbereich ist es beispielsweise ringartig an der Nabe einer Strömungsmaschine oder halbringartig an der Nabe einer Strömungsmaschine ausgebildet.
Das Stützbauteil 21 der Figur 3A bildet an der dem Hauptströmungspfad abgewandten Seite einen Stutzen 211 und in Strömungsrichtung dazu beabstandet einen Steg 212 aus, in denen jeweils Teilbereiche 12, 13 des Sekundärströmungskanals 1 ausgebildet sind und die angrenzend an den Hauptströmungspfad jeweils eine der Öffnungen 111, 112 des Sekundärströmungskanals 1 ausbilden.
Das Verbindungsbauteil 22 verbindet die beiden Bereiche 211, 212 des Stützbauteils, so dass der Sekundärströmungskanal 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Teilabschnitte umfasst, einen hinteren Teilabschnitt 13, der im Steg 212 des Stützbauteils 21 ausgebildet ist, einen mittleren Teilabschnitt 11, der im Verbindungsbauteil 22 ausgebildet ist und einen vorderen Teilabschnitt 12, der im Stutzen 211 des Stützbauteils 21 ausgebildet ist, wobei der hintere und der vordere Teilabschnitt 13, 12 jeweils in einer Öffnung 112, 111 zum Hauptströmungspfad münden.
Dabei ist vorgesehen, dass das Verbindungsbauteil 22, das den mittleren Teilabschnitt 11 des Sekundärströmungskanals 1 bildet, durch einen Schlauch oder durch eine Rohrleitung gebildet ist, die an ihren Enden an einer entsprechenden Fläche des Stutzens 212 bzw. des Stegs 211 des Stützbauteils verbunden ist, beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Flanschverbindung. Allgemein kann vorgesehen sein, dass der Anschluss des Verbindungsbauteils 22 an das Stützbauteil 21 durch eine Passung, eine Steckung, eine Klemmung, eine Verschraubung, eine Schweißung oder eine Lötung realisiert wird.
Die Figur 3A zeigt somit ein Ausführungsbeispiel, bei der eine Strukturbaugruppe ein Stützbauteil 21 und ein Verbindungsbauteil 22 umfasst, wobei die Öffnungen des Sekundärströmungskanals 1 im Stützbauteil 11 ausgebildet sind und das Verbindungsbauteil 22 einen mittleren Teilabschnitt des Sekundärströmungskanals 1 ausbildet bzw. umgibt. Das Verbindungsbauteil 22 ist dabei als Leitung frei im Raum angeordnet.
Die Figur 3B zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Strukturbaugruppe im Bereich einer Schaufelreihe mit Laufspalt in der Meridianansicht (x-r), das sich dadurch vom Ausführungsbeispiel der Figur 3A unterscheidet, dass ein Verbindungsbauteil 23 nicht als frei im Raum angeordnete Leitung ausgebildet ist, sondern stattdessen als Ringsektor. Dabei ist das Verbindungsbauteil 23 beispielsweise als Halbring oder als ganzer Vollring ausgebildet. Das Verbindungsbauteil 23 stellt somit eine Art Gehäuseschale dar, in der ein oder mehrere Kanäle 11 ausgebildet sind, die jeweils einen mittleren Teilabschnitt eines Sekundärströmungskanals 1 bilden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass aufgrund der möglichen Komplexität der Sekundärströmungskanäle 1 das Verbindungsbauteil 23 mit Hilfe eines Gieß-, Sinter- oder Print-Fertigungsverfahrens hergestellt ist.
Die Figur 3C zeigt ein Beispiel einer Strukturbaugruppe im Bereich einer Schaufelreihe mit Laufspalt in der Meridianansicht (x-r), bei der der Sekundärströmungskanal 1 vollständig im Verbindungsbauteil 24 ausgebildet ist. Das Verbindungsbauteil 24 umfasst somit Bereiche 241, 242, die an den Hauptströmungspfad grenzen und einen Teilabschnitt der Hauptströmungspfadberandung bilden. In den Abschnitten 241, 242 ist dabei jeweils eine der Öffnungen 111, 112 des Sekundärströmungskanals 1 ausgebildet.
Das Verbindungsbauteil 24 ist in entsprechende Öffnungen 213, 214 des Stützbauteils 21 eingesetzt. Zwischen den Bereichen 241, 242 des Verbindungsbauteils 24, die die jeweiligen Öffnungen 111, 112 ausbilden, verläuft dabei ein Teilbereich 215 des Stützbauteils 21.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung können die konstruktiven Lösungen, die im Hinblick auf die Figuren 3A, 3B, 3C beschrieben sind, miteinander kombiniert werden. Beispielsweise sieht eine weitere Variante vor, dass das Verbindungsbauteil 24 der Figur 3C aus drei Teilbereichen besteht, mit anderen Worten das Verbindungsbauteil 24 durch drei Verbindungsteilbauteile gebildet ist, wobei das mittlere Teilbauteil entsprechend der Figur 3A beispielsweise als flexibler Schlauch ausgebildet ist, während die beiden anderen Teilbauteile, die im Stützbauteil 21 gelagert sind, strukturelle Kräfte aufnehmen können.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele, die lediglich beispielhaft zu verstehen sind. Beispielsweise können Form und Ausgestaltung der Sekundärströmungskanäle sowie der diese bereitstellenden Bauteile (Stützbauteil und Verbindungsbauteil) in anderer Weise als dargestellt realisiert sein.

Claims

Strömungsmaschine mit einer Strukturbaugruppe, die aufweist:
- eine Hauptströmungspfadberandung (4), die einen Hauptströmungspfad einer Strömungsmaschine berandet, wobei in dem Hauptströmungspfad mindestens eine Reihe von Schaufeln (3) mit jeweils einem Schaufelende angeordnet ist, wobei ein Spalt (5) zwischen den Schaufelenden der mindestens einen Reihe von Schaufeln (3) und der Hauptströmungspfadberandung (4) besteht, und wobei die Schaufeln (3) einer Schaufelreihe und die Hauptströmungspfadberandung (4) eine rotierende Relativbewegung zueinander ausführen; und

- mindestens einen Sekundärströmungskanal (1), der an in Strömungsrichtung beabstandeten Enden jeweils eine Öffnung (111, 112) aufweist, die in der Hauptströmungspfadberandung (4) ausgebildet ist, so dass der Sekundärströmungskanal (1) mittels der beiden Öffnungen (111, 112) mit dem Hauptströmungspfad verbunden ist, wobei in den beiden Öffnungen (111, 112) jeweils keine Ventileinrichtung zum Auf- und Zusteuern der beiden Öffnungen (111, 112) angeordnet ist,

- wobei die Strukturbaugruppe mindestens zwei miteinander verbundene Bauteile aufweist, mindestens ein Stützbauteil (21) und mindestens ein Verbindungsbauteil (22, 23), wobei das Stützbauteil (21) zumindest teilweise die Hauptströmungspfadberandung (4) bildet, wobei das Verbindungsbauteil (22, 23) für sich genommen zumindest einen Teilabschnitt (11, 12, 13) des Sekundärströmungskanals (1) bildet oder umgibt,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Sekundärströmungskanal (1) innerhalb einer Meridianansicht (x-r) in drei Teilabschnitte unterteilt ist, nämlich einen hinteren Teilabschnitt (13), der mit einer Öffnung (112) in den Hauptströmungspfad mündet, einen vorderen Teilabschnitt (12), der mit einer Öffnung (111) in den Hauptströmungspfad mündet, und einen mittleren Teilabschnitt (11), der die beiden anderen Teilabschnitte (12, 13) miteinander verbindet, wobei beide in den Hauptströmungspfad mündenden Teilabschnitte (12, 13) des Sekundärströmungskanals (1) direkt im Stützbauteil (21) vorgesehen sind.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützbauteil (21) als Ringgehäuse einer Strömungsmaschine, als Halbschalengehäuse einer Strömungsmaschine, ringartig an der Nabe einer Strömungsmaschine, oder halbringartig an der Nabe einer Strömungsmaschine ausgebildet ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sekundärströmungskanal (1) durch eine Anordnung gebildet wird, bei der sich ein Einzelkanal entlang seines Verlaufes in wenigstens zwei Kanäle aufteilt und eine Art "Hosenkonfiguration" bildet, wobei eine Einströmöffnung und mehrere Ausströmöffnungen zu einem Sekundärströmungskanal (1) gehören, oder bei der wenigstens zwei Kanäle zu einem zusammengeführt werden, wobei mehrere Einströmöffnungen und eine Ausströmöffnung zu einem Sekundärströmungskanal (1) gehören.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der in den Hauptströmungspfad mündenden Teilabschnitte (12, 13) eines Sekundärströmungskanals (1) wenigstens teilweise als Zylinder mit elliptischem oder kreisrundem Querschnitt im Stützbauteil (21) ausgeführt ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der hauptströmungspfadabgewandten Seite des Stützbauteils (21) örtlich am Umfang wenigstens ein Stutzen (212) zur Ausbildung bzw. Durchführung wenigstens einer der Sekundärströmungskanalteilabschnitte (12, 13) vorgesehen ist, und/oder dass an der hauptströmungspfadabgewandten Seite des Stützbauteils (21) wenigstens ein, wenigstens entlang eines Teils des Umfangs durchgehend verlaufender Steg (211) zur Ausbildung bzw. Durchführung wenigstens einer der Sekundärströmungskanalteilabschnitte (12, 13) vorgesehen ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsbauteil (22, 23) sich sowohl an einen ersten direkt in das Stützbauteil (21) eingebrachten Teilabschnitt (12) als auch an einen zweiten direkt in das Stützbauteil (21) eingebrachten Teilabschnitt (13) anschließt, wobei das Verbindungsbauteil (22, 23) einen dritten Teilabschnitt (11) des Sekundärströmungskanals (1) bildet oder umschließt und die Verbindung zwischen den ersten und zweiten Teilabschnitten (12, 13) bildet.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsbauteil (22, 23) nur einen Sekundärströmungskanal (1) beherbergt und wenigstens teilweise als eine Leitung, insbesondere als Rohrleitung oder Schlauch frei im Raum außerhalb des Stützbauteils (21) angeordnet ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsbauteil (22, 23) als Ringsektor ausgebildet ist und mindestens zwei Sekundärströmungskanäle (1) beherbergt.