EP3109407A1 - Statorvorrichtung für eine strömungsmaschine mit einer gehäuseeinrichtung und mehreren leitschaufeln - Google Patents

Statorvorrichtung für eine strömungsmaschine mit einer gehäuseeinrichtung und mehreren leitschaufeln Download PDF

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EP3109407A1
EP3109407A1 EP16175988.1A EP16175988A EP3109407A1 EP 3109407 A1 EP3109407 A1 EP 3109407A1 EP 16175988 A EP16175988 A EP 16175988A EP 3109407 A1 EP3109407 A1 EP 3109407A1
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EP
European Patent Office
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platform
stator
region
gap
housing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16175988.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Goller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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 EP3109407A1 publication Critical patent/EP3109407A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F05D2300/432—PTFE [PolyTetraFluorEthylene]

Definitions

  • the invention relates to a stator device for a turbomachine, in particular an aircraft engine, with a housing device and a plurality of stator blades according to the type defined in more detail in patent claim 1.
  • Stator devices of compressors for aircraft engines which are designed with adjustable about a central axis trained vanes are well known in the art.
  • the circumferentially distributed arranged in a housing means vanes each have an airfoil and a subsequent radially outward direction of the stator device, also referred to as penny platform, the platforms together with the housing means defining a core flow channel of the aircraft engine in the radial direction of the stator.
  • the platforms in the radial direction of the aircraft engine on a side facing away from the blades of the platforms is followed in each case by a spindle-shaped region over which the guide vanes are rotatably mounted about the central axis of the spindle-shaped region relative to the housing means.
  • the platform which has a circular cross-section with respect to the central axis of the spindle-shaped area, has a larger cross section than the spindle-shaped area with respect to the central axis of the spindle-shaped area.
  • the platforms are each mounted in a recess of the housing device which is concentric with the central axis of the spindle-shaped area, the housing device and the platform being spaced apart from one another in the radial direction of the central axis of the spindle-shaped area, so that there is a circumferential gap between the housing device and the platforms of the guide vanes , In addition, a surface facing away from the core flow channel of the platforms with respect to the housing device in the radial direction is spaced.
  • a turbomachine designed with such a stator device disadvantageously has an unsatisfactory efficiency.
  • the invention relates to a stator device of a compressor or a turbine for a turbomachine, in particular an aircraft engine or a stationary gas turbine, with a housing device and a plurality of guide vanes, which are arranged circumferentially distributed on the housing device, the guide vanes each having an airfoil and in each case at least one platform (Penny) are executed.
  • the platforms form, at least in regions, a surface of an annular channel through which working fluid flows during operation of the stator device and are adjustably mounted relative to the housing device, a gap region being provided, at least in regions, by a radial gap between the platform and the housing device in relation to a longitudinal axis of the platform Area of the surface of the annular channel is formed.
  • a sealing device is provided in the region of the gap.
  • the solution according to the invention is based on the recognition that in operation of a turbomachine in conventionally designed stator devices through the gap region, which in addition to the radial gap by an axial spacing - with respect to the longitudinal axis of the platform - between a surface facing away from the annular channel of the platform and the Housing device may be formed, a part of the guided through the annular channel working fluid is guided as a leakage flow.
  • This leakage flow is due to a pressure difference between the pressure side and the suction side of the airfoil or an increasing pressure gradient in the flow direction of the working fluid in the annular channel through the gap region, wherein the leakage flow in particular via the gap in the region of the downstream pressure side of the blade and the side facing away from the annular channel of the platform to an upstream suction side of the blade and there is guided over the gap in the annular channel.
  • the leakage flow in the region of the suction side of the blade leaves the gap region, the leakage flow from the gap region interacts with the main flow of the working fluid in the annular channel, wherein a so-called blocking region with a flow velocity reduced relative to surrounding regions of the main flow occurs in the main flow. This effect causes the leakage flow has a significant negative impact on the efficiency of the turbomachine.
  • the provision of the sealing device in the solution according to the invention has the advantage that the gap region during operation of the stator at least partially in the radial direction of the stator or in the axial direction of the longitudinal axis of the platform is sealable, so that a mass flow of the leakage flow, in the region of the suction side of the airfoil enters the main flow of the annular channel from the gap, reduced or flow of leakage flow into the annular channel in the region of the suction side of the airfoil is completely prevented.
  • a lossy interaction of the leakage flow with the main flow is hereby reduced or completely eliminated, so that an efficiency of a turbomachine designed with the stator device according to the invention is increased over known embodiments without such a sealing device.
  • the leakage flow through the gap region is particularly greatly reduced if the sealing device extends in the radial direction-with respect to the longitudinal axis of the platform-from the platform to the housing device and thus radially overlaps the entire gap.
  • the sealing device may be designed to revolve at least approximately the platform with respect to the longitudinal axis of the platform.
  • the leakage flow in the region of the gap can be completely eliminated here.
  • the sealing in the region of the gap between the platform and the housing device is particularly effective if the sealing device is arranged in an area of the gap adjacent to the annular channel.
  • a leakage flow can be prevented in an annular channel near the area around the platform.
  • the sealing device with a particular high temperature resistant material such as polytetrafluoroethylene or the like, executed.
  • the sealing device can be arranged in a structurally particularly simple manner in the region of the gap, if the sealing device is arranged at least partially in a substantially radial direction with respect to the central axis facing groove of the platform and / or a groove of the housing device.
  • a simple and cost-effective designed stator device is when the sealing device is designed as an O-ring, as a piston ring with in particular circumferentially spaced ends or as a shaft seal.
  • the platform of the guide vane may be arranged in an inner and / or outer edge region of the vane with respect to the radial direction of the stator device, wherein a sealing device is preferably arranged in a gap between the respective platform and the housing device in the region of each platform.
  • Fig. 1 shows a section of a turbomachine, which in the present case is designed as a jet engine 1 of an aircraft, but in an alternative embodiment may also be a stationary gas turbine.
  • an annular channel or core flow channel 3 of the jet engine 1 is shown in the region of a high-pressure compressor 2 Schaufelradvoriques, wherein various stages 6A, 6B, 6C, 6D of the high-pressure compressor 2 can be seen, each consisting of a rotor device 4 and one in the axial direction A of the jet engine 1 downstream of the rotor device 4 arranged stator 5 exist.
  • the rotor device 4 has a multiplicity of rotor blades 9, which are designed with blades 10 and are circumferentially distributed with a disk wheel 11 are operatively connected and rotate during operation of the jet engine 1 about a central axis of the jet propulsion system 1.
  • the stator device 5 is designed with a large number of guide vanes 12, each of which has an airfoil 13, wherein the guide vanes 12, which are constructed identically, are arranged on the outside of a housing device 8 distributed in the radial direction R of the jet engine 1.
  • the platforms or pennies 14 delimit the core flow channel 3 in the radial direction R of the jet engine 1, at least in regions, and are viewed radially outwardly, in each case connected to a spindle-shaped region 15 and in the present case designed integrally therewith.
  • the platforms 14 have a larger cross-section than the spindle-shaped area 15 with respect to a central axis 18 of the spindle-shaped area 15.
  • the guide vanes 12 are arranged with the platforms 14 and the spindle-shaped regions 15 in recesses 16 of the housing device 8, wherein the spindle-shaped regions 15 are mounted in the recesses 16 via bushes 17.
  • the guide vanes 12 are rotatably arranged in the recesses 16 of the housing device 8 in a known manner about the central axis 18 of the spindle-shaped region 15, which is congruent to the longitudinal axis of the platform 14, wherein the guide vanes 12, for example via the spindle-shaped regions 15 by 5 ° to 60 ° relative to the housing device 8 are rotatable.
  • a platform 19 is provided, which is executed in a comparable manner to the platform 14 with a spindle-shaped portion 20 and the core flow channel 3 at least partially in the radial Limited R direction of the jet engine 1.
  • the guide vane 12 in turn via a socket 21 in one Housing part 22 of the housing device 8, a so-called Shroud, stored, wherein the guide vane 12 is rotatably mounted about the central axis 18 relative to the housing part 22.
  • the housing part 22 is arranged overall in a recess 24 which is formed by two rotor devices 4 which are adjacent to one another in the axial direction A of the jet engine 1 or the stator device 5.
  • the area of the rotor device 4 facing the housing part 22 rotates about the engine axis, whereas the housing part 22 is stationary with respect to the engine axis.
  • Fig. 2 a detail of the stator device 5 with the spindle-shaped portion 15 and the platform 14 of the guide vane 12 is shown in more detail.
  • the platform 14, which has a circular cross-section, and the spindle-shaped region 15, which is likewise designed with a circular cross section, are mounted in the recess 16 of the housing device 8 which is concentric with the central axis 18.
  • the housing device 8 Between the platform 14 and the housing device 8, in the region of a surface 27 of the core flow channel 3, there is a gap 28 which circulates in the radial direction r, starting from the surface 27 of the core flow channel 3 substantially in the axial direction a of the central axis 18 extends to the outside.
  • a surface 30 of the platform 14 facing away from the core flow channel 3 is spaced apart from the housing device 8 in the radial direction R of the jet engine 1.
  • a pressure of a working fluid rises in the area of the high-pressure compressor 2 in the core flow channel 3 in the axial direction A of the jet engine 1 and thus in the flow direction, so that a pressure of a main flow flowing through the core flow channel 3 on a pressure side 33 of the airfoil 13 of the vane 12 is greater than on a
  • part of the main flow flows as leakage flow from the pressure side 33 of the airfoil 13 through the gap region 31 to the suction side 34 of the airfoil 13 due to these pressure conditions.
  • the leakage flow is determined by the pressure-side region of the airfoil Slit 28 is guided over the core flow channel 3 facing away from the surface 30 to the suction-side region of the gap 28.
  • Fig. 2 a designed as a piston ring 40 sealing provided, which is arranged in the gap 28 and in Fig. 3 in isolation can be seen.
  • the present case with resistant polytetrafluoroethylene executed piston ring 40 is arranged both in a groove 41 of the platform 14 and in a groove 42 of the housing device 8, so that a width of the gap 28 in the radial direction r with respect to the central axis 18 of the piston ring 40 completely covers becomes.
  • this is designed in the manner of an annular disc with a recess 44.
  • the piston ring 40 is preferably arranged in a gap directly adjacent to the core flow channel 3 or a surface 27 of the core flow channel 3 in the gap 28, so that in the radial direction R of the jet engine 1 within the flow area 43 present in the piston ring 40 is minimized or completely eliminated.
  • the piston ring 40 can be achieved in a simple manner that during operation of the jet engine 1 on a side facing away from the core flow channel 3 of the piston ring 40 no or only one compared to conventional designs without a piston ring 40 greatly reduced leakage flow flows.
  • Fig. 4 to Fig. 6 are shown to the piston ring alternative embodiments of a sealing device 46, 47, 48, wherein in the following only the differences from the embodiment described in more detail above are shown.
  • the sealing device 46 is designed as an O-ring, wherein the O-ring 46 is held in its position by means of a groove 50 provided in the housing device 8.
  • the O-ring 46 bears against a side surface 51 of the platform 14 that extends essentially in the radial direction R of the jet engine 1.
  • Fig. 5 is also shown as an O-ring sealing device 47 is shown, which is arranged in contrast to the sealing device 46 in a provided in the platform 14 groove 52.
  • the O-ring 47 bears against a side surface 58 of the housing device 8 which extends essentially in the radial direction R of the jet engine 1.
  • the O-ring 47 has the same effect as the O-ring 46 and is also completely circumferential in the circumferential direction u of the central axis 18 executed so that the gap 28 is completely sealed in this embodiment in the radial direction r of the central axis 18.
  • the sealing device is designed as a shaft sealing ring 48, which rests in the region of a shoulder 53 of the housing device 8 at this.
  • the shaft sealing ring 48 is again made with polytetrafluoroethylene, but has an integrated reinforcement 54.
  • the reinforcement 54 is embedded in a radial direction R of the jet engine 1 extending leg 55, which cooperates in the assembled state with a substantially in the axial direction a with respect to the central axis 18 extending side surface 58 of the housing means 8.
  • the reinforcement 54 has a substantially in the radial direction r with respect to the central axis 18 extending portion 56, which is designed as a circular ring.
  • the shaft sealing ring 48 cooperates with a surface 59 of the housing device 8 via the region 56, which likewise runs essentially in the radial direction r with respect to the central axis 18.
  • the shaft seal 48 further has a sealing lip 61, which is designed to cooperate with the side surface 51 of the platform 14.
  • the shaft seal 48 has a traction spring 62 designed as traction means.
  • the tension spring 62 is arranged on one of the platform 14 in the radial direction r of the central axis 18 side facing away from the sealing lip 61 and running circumferentially.
  • the sealing device 40, 46, 47, 48 interacts with the platform 14 and / or the housing device 8 in such a way that the guide blade 12 can be adjusted in a simple manner around the central axis 18.
  • the pressing forces of the sealing device 40, 46, 47, 48 on the platform 14 and / or the housing device 8 are adjusted to a predetermined value accordingly.
  • a sealing device can be arranged in a comparable manner, wherein the sealing means between the platform 19 and the housing part 22 in the of these components in radial direction r with respect to the central axis 18 formed gap 28 can be arranged.

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Abstract

Es wird eine Statorvorrichtung (5) für eine Strömungsmaschine (1) mit einer Gehäuseeinrichtung (8) und mehreren Leitschaufeln (12) vorgeschlagen, die umfangsseitig verteilt an der Gehäuseeinrichtung (8) angeordnet sind. Die Leitschaufeln (12) sind jeweils mit einem Schaufelblatt (13) und jeweils wenigstens einer Plattform (14) ausgeführt. Die Plattformen (14) bilden zumindest bereichsweise eine Oberfläche (27) eines im Betrieb der Statorvorrichtung (5) mit Arbeitsfluid durchströmten Ringkanals (3) und sind gegenüber der Gehäuseeinrichtung (8) verstellbar gelagert. Dabei ist ein Spaltbereich (31) vorgesehen, der zumindest bereichsweise durch einen bezüglich einer Längsachse (18) der Plattform (14, 19) radialen Spalt (28) zwischen der Plattform (14, 19) und der Gehäuseeinrichtung (8) im Bereich der Oberfläche (27) des Ringkanals (3) gebildet ist. Im Bereich des Spalts (28) ist eine Abdichteinrichtung (40) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Statorvorrichtung für eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, mit einer Gehäuseeinrichtung und mehreren Leitschaufeln gemäß der im Patentanspruch 1 näher definierten Art.
  • Statorvorrichtungen von Verdichtern für Flugtriebwerke, die mit um eine Mittelachse verstellbar ausgebildeten Leitschaufeln ausgeführt sind, sind aus der Praxis allgemein bekannt. Die umfangsseitig verteilt in einer Gehäuseeinrichtung angeordneten Leitschaufeln weisen dabei jeweils ein Schaufelblatt und eine sich in radial auswärtiger Richtung der Statorvorrichtung anschließende, auch als Penny bezeichnete Plattform auf, wobei die Plattformen gemeinsam mit der Gehäuseeinrichtung einen Kernstromkanal des Flugtriebwerks in radialer Richtung der Statorvorrichtung begrenzen. Wiederum in radialer Richtung des Flugtriebwerks auf einer dem Schaufelblatt abgewandten Seite der Plattformen schließt sich jeweils ein spindelförmiger Bereich an, über den die Leitschaufeln um die Mittelachse des spindelförmigen Bereichs gegenüber der Gehäuseeinrichtung verdrehbar gelagert sind. Die mit einem bezüglich der Mittelachse des spindelförmigen Bereichs kreisrunden Querschnitt ausgeführte Plattform weist einen bezüglich der Mittelachse des spindelförmigen Bereichs größeren Querschnitt als der spindelförmige Bereich auf. Die Plattformen sind jeweils in einer zu der Mittelachse des spindelförmigen Bereichs konzentrischen Ausnehmung der Gehäuseeinrichtung gelagert, wobei die Gehäuseeinrichtung und die Plattform in radialer Richtung der Mittelachse des spindelförmigen Bereichs zueinander beabstandet sind, so dass zwischen der Gehäuseeinrichtung und den Plattformen der Leitschaufeln ein umlaufender Spalt vorliegt. Zudem ist eine dem Kernstromkanal abgewandte Fläche der Plattformen gegenüber der Gehäuseeinrichtung in radialer Richtung beabstandet.
  • Eine mit einer derartigen Statorvorrichtung ausgeführte Strömungsmaschine weist nachteilhafterweise einen nicht zufriedenstellenden Wirkungsgrad auf.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Statorvorrichtung zur Verfügung zu stellen, wobei ein Wirkungsgrad einer mit solch einer Statorvorrichtung ausgeführten Strömungsmaschine verbessert ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Statorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Es wird eine Statorvorrichtung eines Verdichters oder einer Turbine für eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine, mit einer Gehäuseeinrichtung und mehreren Leitschaufeln vorgeschlagen, die umfangsseitig verteilt an der Gehäuseeinrichtung angeordnet sind, wobei die Leitschaufeln jeweils mit einem Schaufelblatt und jeweils wenigstens einer Plattform (Penny) ausgeführt sind. Die Plattformen bilden zumindest bereichsweise eine Oberfläche eines im Betrieb der Statorvorrichtung mit Arbeitsfluid durchströmten Ringkanals und sind gegenüber der Gehäuseeinrichtung verstellbar gelagert, wobei ein Spaltbereich vorgesehen ist, der zumindest bereichsweise durch einen bezogen auf eine Längsachse der Plattform radialen Spalt zwischen der Plattform und der Gehäuseeinrichtung im Bereich der Oberfläche des Ringkanals gebildet ist. Gemäß der Erfindung ist im Bereich des Spalts eine Abdichteinrichtung vorgesehen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass im Betrieb einer Strömungsmaschine bei herkömmlich ausgeführten Statorvorrichtungen durch den Spaltbereich, der zusätzlich zu dem radialen Spalt auch durch eine axiale Beabstandung - bezogen auf die Längsachse der Plattform - zwischen einer dem Ringkanal abgewandten Fläche der Plattform und der Gehäuseeinrichtung gebildet sein kann, ein Teil des durch den Ringkanal geführten Arbeitsfluids als Leckageströmung geführt wird. Diese Leckageströmung wird aufgrund eines Druckunterschieds zwischen der Druckseite und der Saugseite des Schaufelblatts bzw. eines ansteigenden Druckgradienten in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids in dem Ringkanal durch den Spaltbereich geführt, wobei die Leckageströmung insbesondere über den Spalt im Bereich der stromab gelegenen Druckseite des Schaufelblatts und die dem Ringkanal abgewandte Seite der Plattform zu einer stromauf gelegenen Saugseite des Schaufelblatts und dort über den Spalt in den Ringkanal geführt wird. Bei einem Ausströmen der Leckageströmung im Bereich der Saugseite des Schaufelblatts aus dem Spaltbereich interagiert die aus dem Spaltbereich austretende Leckageströmung mit der Hauptströmung des Arbeitsfluids im Ringkanal, wobei in der Hauptströmung ein sogenannter Blockagebereich mit einer gegenüber umliegenden Bereichen der Hauptströmung reduzierten Strömungsgeschwindigkeit auftritt. Dieser Effekt führt dazu, dass die Leckageströmung einen erheblichen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine hat.
  • Das Vorsehen der Abdichteinrichtung bei der erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass der Spaltbereich im Betrieb der Statorvorrichtung zumindest bereichsweise in radialer Richtung der Statorvorrichtung bzw. in axialer Richtung der Längsachse der Plattform abdichtbar ist, so dass ein Massenstrom der Leckageströmung, der im Bereich der Saugseite des Schaufelblatts aus dem Spalt in die Hauptströmung des Ringkanals eintritt, reduziert oder ein Einströmen von Leckageströmung in den Ringkanal im Bereich der Saugseite des Schaufelblatts vollständig unterbunden ist.
  • Eine verlustbehaftete Interaktion der Leckageströmung mit der Hauptströmung ist hierdurch reduziert oder vollständig eliminiert, so dass ein Wirkungsgrad einer mit der erfindungsgemäßen Statorvorrichtung ausgeführten Strömungsmaschine gegenüber bekannten Ausführungen ohne eine derartige Abdichteinrichtung erhöht ist.
  • Hieraus resultiert auch ein reduzierter spezifischer Treibstoffverbrauch einer mit der erfindungsgemäßen Statorvorrichtung ausgeführten Strömungsmaschine, wobei dies insbesondere bei einem Flugtriebwerk ein signifikanter Vorteil ist.
  • Die Leckageströmung durch den Spaltbereich ist besonders stark reduziert, wenn sich die Abdichteinrichtung in radialer Richtung - bezogen auf die Längsachse der Plattform - von der Plattform bis zu der Gehäuseeinrichtung erstreckt und damit den gesamten Spalt radial übergreift.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Statorvorrichtung kann es vorgesehen sein, dass die Abdichteinrichtung bezüglich der Längsachse der Plattform zumindest annähernd die Plattform umlaufend ausgeführt ist. Die Leckageströmung im Bereich des Spalts kann hierbei komplett eliminiert werden.
  • Die Abdichtung im Bereich des Spalts zwischen der Plattform und der Gehäuseeinrichtung ist besonders effektiv, wenn die Abdichteinrichtung in einem an den Ringkanal grenzenden Bereich des Spalts angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausführung der Erfindung kann auch eine Leckageströmung in einem ringkanalnahen Bereich um die Plattform verhindert werden.
  • Bei einer durch eine hohe Lebensdauer gekennzeichneten Ausführung der Erfindung ist die Abdichteinrichtung mit einem insbesondere hochtemperaturbeständigen Material, beispielsweise Polytetrafluorethylen oder dergleichen, ausgeführt.
  • Die Abdichteinrichtung kann auf konstruktiv besonders einfache Weise im Bereich des Spalts angeordnet werden, wenn die Abdichteinrichtung zumindest bereichsweise in einer im Wesentlichen in radialer Richtung bezogen auf die Mittelachse weisenden Nut der Plattform und/oder einer Nut der Gehäuseeinrichtung angeordnet ist.
  • Eine einfache und kostengünstig ausgebildete Statorvorrichtung liegt vor, wenn die Abdichteinrichtung als O-Ring, als Kolbenring mit insbesondere in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Enden oder als Wellendichtring ausgeführt ist.
  • Die Plattform der Leitschaufel kann in einem bezüglich der radialen Richtung der Statorvorrichtung inneren und/oder äußeren Randbereich des Schaufelblatts angeordnet sein, wobei vorzugsweise im Bereich jeder Plattform eine Abdichteinrichtung in einem Spalt zwischen der jeweiligen Plattform und der Gehäuseeinrichtung angeordnet ist.
  • Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Statorvorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Statorvorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den nachfolgend unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei zugunsten der Übersichtlichkeit jeweils für bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Ausschnitts eines Strahltriebwerks, wobei ein Verdichter mit mehreren Rotorvorrichtungen und Statorvorrichtungen gezeigt ist, die jeweils in einen Kernstromkanal ragende Schaufeln aufweisen;
    Fig. 2
    eine vereinfachte Längsschnittdarstellung durch einen Teil einer Statorvorrichtung der Fig. 1, wobei eine im Bereich eines Spalts zwischen der Plattform und einer Gehäuseeinrichtung angeordnete Abdichteinrichtung in einer ersten Ausführungsform gezeigt ist,
    Fig. 3
    eine stark vereinfachte Darstellung der Abdichteinrichtung in Alleinstellung;
    Fig. 4
    eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht der Statorvorrichtung gemäß Fig. 1, wobei eine zweite Ausführungsform der Abdichteinrichtung dargestellt ist;
    Fig. 5
    eine der Fig. 2 und Fig. 4 entsprechende Ansicht der Statorvorrichtung gemäß Fig. 1, wobei eine dritte Ausführungsform der Abdichteinrichtung gezeigt ist; und
    Fig. 6
    eine der Fig. 2, Fig. 4 und Fig. 5 entsprechende Ansicht der Statorvorrichtung gemäß Fig. 1, mit einer Abdichteinrichtung in einer vierten Ausführungsform.
  • Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Strömungsmaschine, die vorliegend als Strahltriebwerk 1 eines Flugzeugs ausgeführt ist, in einer alternativen Ausführung aber auch eine stationäre Gasturbine sein kann. In dem Ausschnitt ist ein Ringkanal bzw. Kernstromkanal 3 des Strahltriebwerks 1 im Bereich einer als Hochdruckverdichter 2 ausgeführten Schaufelradvorrichtung gezeigt, wobei verschiedene Stufen 6A, 6B, 6C, 6D des Hochdruckverdichters 2 ersichtlich sind, die jeweils aus einer Rotorvorrichtung 4 und einer in axialer Richtung A des Strahltriebwerks 1 stromab der Rotorvorrichtung 4 angeordneten Statorvorrichtung 5 bestehen.
  • Im Folgenden werden die Rotorvorrichtung 4 und die Statorvorrichtung 5 der dritten Stufe 6C des Hochdruckverdichters 2 näher beschrieben, wobei die Rotorvorrichtungen 4 und die Statorvorrichtungen 5 der anderen Stufen 6A, 6B, 6D vergleichbar ausgeführt sind.
  • Die Rotorvorrichtung 4 weist eine Vielzahl von mit Schaufelblättern 10 ausgeführten Laufschaufeln 9 auf, die umfangsseitig verteilt mit einem Scheibenrad 11 wirkverbunden sind und im Betrieb des Strahltriebwerks 1 um eine Zentralachse des Strahltreibwerks 1 rotieren. Die Statorvorrichtung 5 ist dagegen mit einer Vielzahl von ebenfalls jeweils ein Schaufelblatt 13 aufweisenden Leitschaufeln 12 ausgeführt, wobei die jeweils baugleich ausgeführten Leitschaufeln 12 umfangsseitig verteilt in radialer Richtung R des Strahltriebwerks 1 außenseitig an einer Gehäuseeinrichtung 8 angeordnet sind.
  • Die Schaufelblätter 13 der Leitschaufeln 12 grenzen in radialer Richtung R des Strahltriebwerks 1 nach außen jeweils an eine Plattform 14 bzw. einen sogenannten Penny. Die Plattformen bzw. Pennys 14 begrenzen den Kernstromkanal 3 in radialer Richtung R des Strahltriebwerks 1 zumindest bereichsweise und sind radial auswärts betrachtet jeweils mit einem spindelförmigen Bereich 15 verbunden und vorliegend integral mit diesem ausgeführt. Dabei weisen die Plattformen 14 bezüglich einer Mittelachse 18 des spindelförmigen Bereichs 15 einen größeren Querschnitt als der spindelförmige Bereich 15 auf. Die Leitschaufeln 12 sind mit den Plattformen 14 und den spindelförmigen Bereichen 15 in Ausnehmungen 16 der Gehäuseeinrichtung 8 angeordnet, wobei die spindelförmigen Bereiche 15 über Buchsen 17 in den Ausnehmungen 16 gelagert sind.
  • Die Leitschaufeln 12 sind in den Ausnehmungen 16 der Gehäuseeinrichtung 8 in bekannter Weise um die Mittelachse 18 des spindelförmigen Bereichs 15, die deckungsgleich zur Längsachse der Plattform 14 ist, verdrehbar angeordnet, wobei die Leitschaufeln 12 beispielsweise über die spindelförmigen Bereiche 15 um 5° bis 60° gegenüber der Gehäuseeinrichtung 8 verdrehbar sind.
  • Auf einer bezüglich der radialen Richtung R des Strahltriebwerks 1 bzw. der Statorvorrichtung 5 inneren Seite des Schaufelblatts 13 ist ebenfalls eine Plattform 19 vorgesehen, die in vergleichbarer Weise zu der Plattform 14 mit einem spindelförmigen Bereich 20 ausgeführt ist und den Kernstromkanal 3 zumindest bereichsweise in radialer Richtung R des Strahltriebwerks 1 begrenzt. Über den spindelförmigen Bereich 20 ist die Leitschaufel 12 wiederum über eine Buchse 21 in einem Gehäuseteil 22 der Gehäuseeinrichtung 8, einem sogenannten Shroud, gelagert, wobei die Leitschaufel 12 um die Mittelachse 18 gegenüber dem Gehäuseteil 22 drehbar gelagert ist. Das Gehäuseteil 22 ist dabei insgesamt in einer Ausnehmung 24 angeordnet, die von zwei in axialer Richtung A des Strahltriebwerks 1 bzw. der Statorvorrichtung 5 zueinander benachbarten Rotorvorrichtungen 4 gebildet ist. Im Betrieb des Strahltriebwerks 1 rotiert der dem Gehäuseteil 22 zugewandte Bereich der Rotorvorrichtung 4 um die Triebwerksachse, wohingegen der Gehäuseteil 22 bezüglich der Triebwerksachse unbewegt ist.
  • In Fig. 2 ist ein Ausschnitt der Statorvorrichtung 5 mit dem spindelförmigen Bereich 15 und der Plattform 14 der Leitschaufel 12 näher gezeigt. Hierbei ist ersichtlich, dass die mit einem kreisrunden Querschnitt ausgeführte Plattform 14 und der ebenfalls mit einem kreisrunden Querschnitt ausgeführte spindelförmige Bereich 15 in der zu der Mittelachse 18 konzentrisch ausgeführten Ausnehmung 16 der Gehäuseeinrichtung 8 gelagert sind. Zwischen der Plattform 14 und der Gehäuseeinrichtung 8 liegt dabei im Bereich einer Oberfläche 27 des Kernstromkanals 3 ein die Mittelachse 18 in radialer Richtung r umlaufender Spalt 28 vor, der sich ausgehend von der Oberfläche 27 des Kernstromkanals 3 im Wesentlichen in axialer Richtung a der Mittelachse 18 nach außen erstreckt.
  • Der Fig. 2 ist weiterhin zu entnehmen, dass eine dem Kernstromkanal 3 abgewandte Fläche 30 der Plattform 14 in radialer Richtung R des Strahltriebwerks 1 gegenüber der Gehäuseeinrichtung 8 beabstandet ist. Durch diesen bezogen auf die Mittelachse 18 des spindelförmigen Bereiches 15 axialen Abstand und den bezüglich der Mittelachse 18 radialen Spalt 28 wird ein Spaltbereich 31 gebildet.
  • Im Betrieb des Strahltriebwerks 1 steigt ein Druck eines Arbeitsfluids, hier Luft, im Bereich des Hochdruckverdichters 2 in dem Kernstromkanal 3 in axialer Richtung A des Strahltriebwerks 1 und mithin in Strömungsrichtung an, so dass ein Druck einer durch den Kernstromkanal 3 strömenden Hauptströmung auf einer Druckseite 33 des Schaufelblatts 13 der Leitschaufel 12 größer ist als auf einer Saugseite 34 des Schaufelblatts 13. Aufgrund dieser Druckverhältnisse strömt im Betrieb herkömmlich ausgeführter Strahltriebwerke 1 ein Teil der Hauptströmung als Leckageströmung von der Druckseite 33 des Schaufelblatts 13 durch den Spaltbereich 31 zu der Saugseite 34 des Schaufelblatts 13. Die Leckageströmung wird hierbei von dem druckseitigen Bereich des Spalts 28 über die dem Kernstromkanal 3 abgewandte Fläche 30 zu dem saugseitigen Bereich des Spalts 28 geführt.
  • Das Einströmen der Leckageströmung im Bereich der Saugseite 34 des Schaufelblatts 10 in die Hauptströmung führt bei den bekannten Strahltriebwerken zu erheblichen Verlusten, da eine Geschwindigkeit der Hauptströmung in diesem Bereich durch die Leckageströmung in unerwünschter Weise reduziert wird und ein sogenanntes Blockage- bzw. Verlustgebiet entsteht.
  • Um einen Massenstrom der Leckageströmung, der im Betrieb des Strahltriebwerks 1 auf der Saugseite 34 des Schaufelblatts 13 in die Hauptströmung eingeleitet wird, zu reduzieren oder vollständig zu unterbinden, ist in Fig. 2 eine als Kolbenring 40 ausgeführte Abdichteinrichtung vorgesehen, die in dem Spalt 28 angeordnet ist und in Fig. 3 in Alleinstellung ersichtlich ist.
  • Der vorliegend mit widerstandsfähigem Polytetrafluorethylen ausgeführte Kolbenring 40 ist dabei sowohl in einer Nut 41 der Plattform 14 als auch in einer Nut 42 der Gehäuseeinrichtung 8 angeordnet, so dass eine Breite des Spalts 28 in radialer Richtung r bezüglich der Mittelachse 18 von dem Kolbenring 40 vollständig überdeckt wird. Um den Kolbenring 40 auf einfache Weise montieren zu können, ist dieser in der Art einer Ringscheibe mit einer Ausnehmung 44 ausgeführt. Somit umläuft der Kolbenring 40 in montiertem Zustand die Mittelachse 18 in Umfangsrichtung u nahezu vollständig.
  • Der Kolbenring 40 wird vorzugsweise in einem direkt an den Kernstromkanal 3 bzw. eine Oberfläche 27 des Kernstromkanals 3 grenzenden Bereich in dem Spalt 28 angeordnet, so dass ein in radialer Richtung R des Strahltriebwerks 1 innerhalb des Kolbenrings 40 vorliegender Strömungsbereich 43 minimiert oder vollständig eliminiert ist. Je näher der Kolbenring 40 im Bereich des Spalts 28 an der Oberfläche 27 des Kernstromkanals 3 angeordnet ist, desto kleiner ist der Strömungsbereich 43 und somit auch die Leckageströmung im Betrieb des Strahltriebwerks 1.
  • Über den Kolbenring 40 kann auf einfache Weise erreicht werden, dass im Betrieb des Strahltriebwerks 1 auf einer dem Kernstromkanal 3 abgewandten Seite des Kolbenrings 40 keine oder lediglich eine gegenüber herkömmlichen Ausführungen ohne einen Kolbenring 40 stark reduzierte Leckageströmung strömt.
  • In Fig. 4 bis Fig. 6 sind zu dem Kolbenring alternative Ausführungsvarianten einer Abdichteinrichtung 46, 47, 48 dargestellt, wobei im Folgenden lediglich die Unterschiede zu der oben näher beschriebenen Ausführung aufgezeigt werden.
  • Die Abdichteinrichtung 46 gemäß Fig. 4 ist als O-Ring ausgeführt, wobei der O-Ring 46 über eine in der Gehäuseeinrichtung 8 vorgesehene Nut 50 in seiner Position gehalten ist. Der O-Ring 46 liegt dabei an einer im Wesentlichen in radialer Richtung R des Strahltriebwerks 1 verlaufenden Seitenfläche 51 der Plattform 14 an. Dadurch, dass der O-Ring 46 in Umfangsrichtung u der Mittelachse 18 komplett umlaufend ausgeführt ist und den Spalt 28 in radialer Richtung r der Mittelachse 18 vollständig abdichtet, wird mit dieser Ausführung auf besonders sichere Weise erreicht, dass auf einer dem Kernstromkanal 3 abgewandten Seite des O-Rings 46 Arbeitsgas als Leckageströmung strömen kann.
  • Gemäß Fig. 5 ist eine ebenfalls als O-Ring ausgeführte Abdichteinrichtung 47 gezeigt, die im Unterschied zu der Abdichteinrichtung 46 in einer in der Plattform 14 vorgesehenen Nut 52 angeordnet ist. Der O-Ring 47 liegt dabei an einer im Wesentlichen in radialer Richtung R des Strahltriebwerks 1 verlaufenden Seitenfläche 58 der Gehäuseeinrichtung 8 an. Der O-Ring 47 wirkt vergleichbar wie der O-Ring 46 und ist ebenfalls in Umfangsrichtung u der Mittelachse 18 komplett umlaufend ausgeführt, so dass der Spalt 28 auch bei dieser Ausführung in radialer Richtung r der Mittelachse 18 vollständig abdichtet ist.
  • In Fig. 6 ist die Abdichteinrichtung als Wellendichtring 48 ausgeführt, der im Bereich eines Absatzes 53 der Gehäuseeinrichtung 8 an dieser anliegt. Der Wellendichtring 48 ist wiederum mit Polytetrafluorethylen ausgeführt, weist aber eine integrierte Verstärkung 54 auf. Die Verstärkung 54 ist in einen in radialer Richtung R des Strahltriebwerks 1 verlaufenden Schenkel 55 eingebettet, der in montiertem Zustand mit einer im Wesentlichen in axialer Richtung a bezüglich der Mittelachse 18 verlaufenden Seitenfläche 58 der Gehäuseeinrichtung 8 zusammenwirkt. Weiterhin weist die Verstärkung 54 einen im Wesentlichen in radialer Richtung r bezüglich der Mittelachse 18 verlaufenden Bereich 56 auf, der als Kreisring ausgeführt ist. Über den Bereich 56 wirkt der Wellendichtring 48 in montiertem Zustand mit einer Fläche 59 der Gehäuseeinrichtung 8 zusammen, die ebenfalls im Wesentlichen in radialer Richtung r bezüglich der Mittelachse 18 verläuft.
  • Der Wellendichtring 48 weist weiterhin eine Dichtlippe 61 auf, die zum Zusammenwirken mit der Seitenfläche 51 der Plattform 14 ausgeführt ist. Um die Dichtlippe 61 im Betrieb des Strahltriebwerks 1 mit einer gewünschten Anpresskraft an die Plattform 14 zu drücken, weist der Wellendichtring 48 ein als Zugfeder 62 ausgeführtes Zugmittel auf. Die Zugfeder 62 ist auf einer der Plattform 14 in radialer Richtung r der Mittelachse 18 abgewandten Seite der Dichtlippe 61 angeordnet und umfangsseitig verlaufend ausgeführt.
  • Bei sämtlichen Ausführungsvarianten der Abdichteinrichtung 40, 46, 47, 48 wirkt die Abdichteinrichtung 40, 46, 47, 48 derart mit der Plattform 14 und/oder der Gehäuseeinrichtung 8 zusammen, dass die Leitschaufel 12 auf einfache Weise um die Mittelachse 18 verstellbar ist. Die Anpresskräfte der Abdichteinrichtung 40, 46, 47, 48 an die Plattform 14 und/oder die Gehäuseeinrichtung 8 werden entsprechend auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
  • Im Bereich der Plattform 19 kann analog zu der Anordnung der Abdichteinrichtungen 40, 46, 47, 48 im Bereich der Plattform 14 ebenfalls in vergleichbarer Weise eine Abdichteinrichtung angeordnet sein, wobei die Abdichteinrichtung zwischen der Plattform 19 und dem Gehäuseteil 22 in dem von diesen Bauteilen in radialer Richtung r bezüglich der Mittelachse 18 gebildeten Spalt 28 angeordnet werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Strömungsmaschine; Strahltriebwerk
    2
    Schaufelradvorrichtung; Hochdruckverdichter
    3
    Kernstromkanal, Ringkanal
    4
    Rotorvorrichtung
    5
    Statorvorrichtung
    6A bis 6D
    Stufen des Hochdruckverdichters
    8
    Gehäuseeinrichtung
    9
    Laufschaufel
    10
    Schaufelblatt der Laufschaufel
    11
    Scheibenrad
    12
    Leitschaufel
    13
    Schaufelblatt der Leitschaufel
    14
    Plattform, Penny
    15
    spindelförmiger Bereich
    16
    Ausnehmung der Gehäuseeinrichtung
    17
    Buchse
    18
    Mittelachse
    19
    Plattform
    20
    spindelförmiger Bereich
    21
    Buchse
    22
    Gehäuseteil
    24
    Ausnehmung
    27
    Oberfläche des Kernstromkanals
    28
    Spalt
    30
    Fläche der Plattform
    31
    Spaltbereich
    33
    Druckseite des Schaufelblatts
    34
    Saugseite des Schaufelblatts
    40
    Abdichteinrichtung, Kolbenring
    41
    Nut der Plattform
    42
    Nut der Gehäuseeinrichtung
    43
    Strömungsbereich
    44
    Ausnehmung des Kolbenrings
    46
    Abdichteinrichtung, O-Ring
    47
    Abdichteinrichtung, O-Ring
    48
    Abdichteinrichtung, Wellendichtring
    50
    Nut der Gehäuseeinrichtung
    51
    Seitenfläche der Plattform
    52
    Nut der Plattform
    53
    Absatz der Gehäuseeinrichtung
    54
    Verstärkung des Wellendichtrings
    55
    Schenkel des Wellendichtrings
    56
    Bereich des Wellendichtrings
    58
    Seitenfläche der Gehäuseeinrichtung
    59
    Fläche der Gehäuseeinrichtung
    61
    Dichtlippe des Wellendichtrings
    62
    Zugmittel; Zugfeder
    a
    axialer Richtung der Leitschaufel
    A
    axiale Richtung des Strahltriebwerks
    r
    radiale Richtung Leitschaufel
    R
    radiale Richtung des Strahltriebwerks
    u
    Umfangsrichtung zur Mittelachse der Leitschaufel
    U
    Umfangsrichtung des Strahltriebwerks

Claims (11)

  1. Statorvorrichtung (5) für eine Strömungsmaschine (1) mit einer Gehäuseeinrichtung (8) und mehreren Leitschaufeln (12), die umfangsseitig verteilt an der Gehäuseeinrichtung (8) angeordnet sind, wobei die Leitschaufeln (12) jeweils mit einem Schaufelblatt (13) und jeweils wenigstens einer Plattform (14, 19) ausgeführt sind, wobei die Plattformen (14, 19) zumindest bereichsweise eine Oberfläche (27) eines im Betrieb der Statorvorrichtung (5) mit Arbeitsfluid durchströmten Ringkanals (3) bilden und gegenüber der Gehäuseeinrichtung (8) verstellbar gelagert sind, und wobei ein Spaltbereich (31) vorgesehen ist, der zumindest bereichsweise durch einen bezüglich einer Längsachse (18) der Plattform (14, 19) radialen Spalt (28) zwischen der Plattform (14, 19) und der Gehäuseeinrichtung (8) im Bereich der Oberfläche (27) des Ringkanals (3) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Spalts (28) eine Abdichteinrichtung (40, 46, 47, 48) vorgesehen ist.
  2. Statorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (40, 46, 47, 48) sich in radialer Richtung (r) bezüglich der Längsachse (18) der Plattform (14, 19) von der Plattform (14, 19) bis zu der Gehäuseeinrichtung (8) erstreckt.
  3. Statorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (40, 46, 47, 48) bezüglich der Längsachse (18) der Plattform (14, 19) zumindest annähernd die Plattform (14, 19) umlaufend ausgeführt ist.
  4. Statorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (40, 46, 47, 48) in einem an den Ringkanal (3) grenzenden Bereich des Spalts (28) angeordnet ist.
  5. Statorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (40, 46, 47, 48) mit einem temperaturbeständigen Material, insbesondere Polytetrafluorethylen, ausgeführt ist.
  6. Statorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (40) zumindest bereichsweise in einer im Wesentlichen in radialer Richtung (r) bezüglich der Mittelachse (18) weisenden Nut (41, 52) der Plattform (14, 19) angeordnet ist.
  7. Statorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (40, 46) zumindest bereichsweise in einer im Wesentlichen in radialer Richtung (r) bezüglich der Mittelachse (18) weisenden Nut (42, 50) der Gehäuseeinrichtung (8) angeordnet ist
  8. Statorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (46, 47) als O-Ring ausgeführt ist.
  9. Statorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (40) als Kolbenring ausgeführt ist.
  10. Statorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (48) als Wellendichtring ausgeführt ist.
  11. Statorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (14, 19) der Leitschaufel (12) in einem bezüglich der radialen Richtung (R) der Statorvorrichtung (5) inneren und/oder äußeren Randbereich des Schaufelblatts (13) angeordnet ist, wobei vorzugsweise im Bereich jeder Plattform (14, 19) eine Abdichteinrichtung (40, 46, 47, 48) in dem Spalt (28) zwischen der jeweiligen Plattform (14, 19) und der Gehäuseeinrichtung (8) angeordnet ist.
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