EP3431708B1 - Umströmungsanordnung, zugehörige strömungsmaschine und verwendung - Google Patents

Umströmungsanordnung, zugehörige strömungsmaschine und verwendung Download PDF

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EP3431708B1
EP3431708B1 EP18178413.3A EP18178413A EP3431708B1 EP 3431708 B1 EP3431708 B1 EP 3431708B1 EP 18178413 A EP18178413 A EP 18178413A EP 3431708 B1 EP3431708 B1 EP 3431708B1
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EP
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flow bypass
flow
bypass structure
arrangement
structures
Prior art date
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Martin Hoeger
Fadi Maatouk
Günter RAMM
Yavuz Gündogdu
Irene Raab
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MTU Aero Engines AG
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Definitions

  • the present invention relates to a flow arrangement with flow structures for arrangement in the hot gas duct of a turbo machine.
  • the turbo engine can be, for example, a jet engine, e.g. B. a turbofan engine.
  • the flow machine is functionally divided into a compressor, combustion chamber and turbine.
  • the air that is sucked in is compressed by the compressor and burned in the downstream combustion chamber with the added kerosene.
  • the resulting hot gas a mixture of combustion gas and air, flows through the downstream turbine and is expanded in the process.
  • the volume through which the hot gas flows i.e. the path from the combustion chamber via the turbine to the nozzle, is referred to as the "hot gas channel".
  • the flow-around arrangement in question is intended to be arranged in the hot gas duct and has several flow-around structures. At least some of these are designed as deflecting vanes, while others are preferably support struts or corresponding cladding. Like the above reference to a jet engine, this is intended to illustrate the present subject matter, but not initially restrict its generality.
  • the turbo machine can also be a stationary gas or steam turbine, for example.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous flow arrangement for arrangement in the hot gas duct of a turbo machine.
  • this object is achieved with the flow arrangement according to claim 1.
  • This has a first and a second flow structure, wherein the second flow structure is provided as a deflection vane and has a smaller profile thickness than the first flow structure, which is arranged on the suction side of the second flow structure.
  • the flow structures are arranged with a partial axial overlap, at the same time the rear edge of the second flow structure is offset axially downstream relative to that of the first flow structure.
  • different flow structures which are provided axially one after the other in separate sections in a conventional design, are pushed into one another a little (axial overlap), but not completely.
  • the rear edge of the second flow structure (hereinafter also “thin deflecting vane”) is offset to the rear, suction can be generated at the rear edge of the first flow structure (hereinafter also “thick vane”).
  • the thin deflecting vane causes relief and smooth outflow at the rear edge of the thick vane (Kutta condition). With a view to the uniformity of the flow to the downstream rotor, this can be of advantage and also help to improve the overall efficiency of the turbine, for example by approx. 0.25% to 0.5%.
  • Each of the flow structures has a leading edge and a trailing edge, with two opposing side surfaces of the respective flow structure extending therebetween.
  • the profile thickness is taken between the side surfaces.
  • the camber line extends in the middle between the side surfaces between the front and rear edges of the respective flow structure, and the profile thickness then results as the largest circle diameter on the camber line (the circle touches the side surfaces, the center is on the camber line).
  • the thin deflecting vane can, for example, have a profile thickness that is at least 50%, 60%, 70% or 80% smaller than the first flow structure, with possible (independent) upper limits at, for example, a maximum of 99%, 97% or 95% ( increasingly preferred in the order in which they are named).
  • the design of the respective structure in its respective radial center is used as a basis.
  • the shape at half the height (taken radially) of the corresponding flow structure or the deflecting vane or the vane blade is therefore considered in each case.
  • the influence on the flow can be greatest in the radial center of the gas duct.
  • the respective structures are preferably designed accordingly over their entire height relative to one another (at least in the case of a comparison at the same percentage in each case).
  • axial refers to the longitudinal axis of the turbomachine, which, for example, coincides with an axis of rotation of the rotors.
  • “Radial” relates to the radial directions perpendicular to it, pointing away therefrom, and “revolving” or “revolving” or the “revolving direction” relate to the rotation about the longitudinal axis.
  • the first and the second flow structure are, for example, due to the axial overlap, also arranged one after the other in the direction of rotation.
  • axial overlap means, for example, that a projection of the first flow structure radially onto the longitudinal axis has an overlap with a projection of the second flow structure radially onto the longitudinal axis.
  • the flow-around arrangement can of course have a plurality of first and second flow-around structures, for example at least 4, 5 or 6 each, with possible (independent) upper limits of, for example, at most 30, 20 or 15, respectively and the second flow structures are then preferably structurally identical and arranged rotationally symmetrically.
  • first and second flow-around structures for example at least 4, 5 or 6 each, with possible (independent) upper limits of, for example, at most 30, 20 or 15, respectively and the second flow structures are then preferably structurally identical and arranged rotationally symmetrically.
  • third and possibly fourth or also further flow structures which are then also designed as thin deflecting blades.
  • Circumferentially between two thick blades there can be at least two and preferably no more than nine, eight, seven, six, five, four or three thin deflecting blades.
  • the first flow structure is provided as a load-bearing support strut or as a cladding, in particular as a cladding of a load-bearing support strut.
  • the support strut is a load-bearing component of the turbomachine; it preferably carries the bearing of the turbine shaft, in particular of the high-pressure turbine shaft (together with further circumferentially arranged support struts).
  • the bearing is preferably arranged in the intermediate turbine housing, in the so-called mid turbine frame.
  • the support struts can each extend radially outward away from the bearing and thus keep the bearing centered in the housing, in a spoke-like manner.
  • the first flow structure is preferably a covering in which, for example, a supply line can also be routed; it is preferably a covering of a support strut, that is to say, for aerodynamic reasons, it is attached to the actually load-bearing component. In this case, too, supply lines etc. can then also be routed.
  • a panel is also known as fairing.
  • the load-bearing function or the enclosing of the support strut require a certain structure size, i.e. large profile thickness. This is aerodynamically disadvantageous, but this is at least partially compensated for by the combination with the thin deflecting vane.
  • the first flow structure can generally also be provided in a non-deflecting manner; it is preferably weakly deflecting by less than 5 °, but has no effect on the flow (no impulse is transmitted to the flow due to the change in radius and the rate of swirl).
  • the first bypass structure (thick vane) faces the thin deflecting vane with its underside surface. More deflection is necessary on the underside of the thick blade because its underside surface is due to the high thickness in the Runs essentially axially into the rear edge, for example tilted by no more than 10 ° or 5 ° to the axial direction.
  • the thin deflection vane generates acceleration (nozzle effect) at the rear edge of the thick vane. The trailing edge is then "sucked away".
  • the thin deflecting vane has its maximum curvature where it has the axial overlap with the first flow structure.
  • This high-curvature design is akin to a wing with the Fowler flap extended, which further increases the suction created at the trailing edge of the thick vane.
  • the rear edge of the thin deflecting vane is offset by at least 0.5 times, further and particularly preferably at least 0.7 or 0.9 times the axial length of the blades of a rotor arranged directly downstream to the rear edge of the first flow structure ( axially downstream).
  • Upper limits which in general can also be of interest independently of the lower limits, are at most 4 times, further and particularly preferably at most 2.6 or 2.2 times.
  • the "axial length" results from the axial portion of the chord length of the rotor blades (if it is equipped with different blades, an average value calculated over these is considered).
  • the leading edge of the thin turning vane is offset axially downstream from that of the thick vane.
  • An advantageous upper limit is (regardless of this) preferably at most 0.9 times.
  • the thin deflecting vane has a chord length which is at least 1 times, preferably at least 1.5 times, a chord length of the blades of the rotor arranged directly downstream. If this is equipped with different blades, an average value is again considered.
  • Advantageous upper limits of the chord length of the thin deflection vane are, in the order in which they are named, increasingly preferably at most 8, 7, 6, 5, 4 or 3 times the chord length of the subsequent rotor. A chord length of approximately 2 to 3 times is particularly preferred.
  • the flow-around arrangement has a third flow-around structure, which is provided as a thin deflecting vane analogously to the second flow-around structure, but is not structurally identical to the second flow-around structure.
  • the third flow-around structure is arranged on the top side of the thick vane (the thick vane is on the suction side of the third flow-around structure). At least two different thin deflecting blades are then provided around between two thick blades.
  • the rear edge of the third flow-around structure is preferably offset axially downstream relative to that of the thick blade; it is preferably axially offset-free (not offset) from that of the second flow-around structure, which preferably also applies to a fourth or generally further flow-around structures.
  • the third flow around structure has a smaller chord length than the second flow structure.
  • more deflection may be required on the underside of the first flow structure, which is achieved with the greater chord length of the second flow structure.
  • more than two different thin deflecting blades are provided circumferentially between two first flow structures, these preferably have a decreasing chord length overall from the bottom of one thick blade to the top of the other thick blade. With the variable chord length, the free flow cross-section can be adjusted in such a way that a uniform flow to the subsequent rotor is achieved.
  • the third flow structure has a smaller curvature than the second. More deflection is thus achieved with a more strongly curved second flow structure on the underside of the thick blade, see above. If more than two different thin deflection blades are provided circumferentially between two first flow structures, they preferably have a decreasing curvature overall from the bottom of one thick blade to the top of the other thick blade.
  • a further thin deflecting vane is provided (fourth flow structure), the second, third and fourth flow structure not being identical to one another.
  • the fourth flow-around structure is arranged on the suction side of the third flow-around structure.
  • Deflection blades are arranged circumferentially between two thick blades, a fourth flow structure is also arranged on the pressure side of the second flow structure.
  • the fourth flow structure has a greater chord length than the third flow structure or it is more curved, preferably both.
  • the chord length and / or curvature preferably increases from the third flow structure via the fourth to the second flow structure.
  • At least four flow structures are arranged, each of which is designed as a deflecting blade.
  • Upper limits that are independent of this lower limit can be at most twelve, eleven, ten or nine deflection vanes, increasingly preferably in the order in which they are named. Exactly four deflection blades can be particularly preferred.
  • the second, third, fourth and a fifth flow structure can then preferably be arranged between the first flow structures that are next to one another, cf. also the description above with further details.
  • the rear edges of the latter can also be offset from one another, that is to say staggered.
  • an equidistant arrangement of the trailing edges of the deflecting blades is generally also possible, but a non-equidistant arrangement can be preferred.
  • At least the deflecting blades arranged between the two next adjacent first flow structures in the direction of rotation are designed as a multiple segment.
  • the first flow structure can also be provided as part of the multiple segment.
  • a subdivision can also be advantageous in that only the deflecting blades are combined in multiple segments or also in a ring, with the first flow structures then being combined with them.
  • the first flow structure or structures are then cast for themselves; in order to then realize the axial overlap, a recess can then be made in each of the rear edges of the first flow structures, e.g. B. be milled into which the segment or the ring with the guide vanes is pushed in.
  • the flow structures of the multiple segment or ring are integral with one another, that is, cannot be separated from one another in a non-destructive manner; they can preferably be monolithic, in particular formed from one cast.
  • the invention also relates to a turbomachine with a flow-around arrangement disclosed in the present case; this can in particular be arranged in the intermediate turbine housing.
  • the invention also relates to the use of a flow-around arrangement disclosed in the present case in a turbo-engine, in particular an aircraft engine.
  • FIG 1a shows a flow machine 1 in section, specifically a jet engine.
  • Figure 1b shows a schematic detailed view of this, the following comments relate on both figures.
  • the turbomachine 1 is divided into compressor 1a, combustion chamber 1b and turbine 1c. Both the compressor 1a and the turbine 1c are each made up of several stages; each stage is usually composed of a guide and a rotor blade ring. During operation, the rotor blade rings rotate about the longitudinal axis 2 of the turbomachine 1.
  • the turbine shaft 3 is guided in a bearing 4, which is held in the rest of the turbomachine 1 by support struts 5 (partly dashed).
  • each of the support struts 5 is jacketed for aerodynamic and thermal reasons, namely from a first Umströmungs Quilt 6, illustrating a cover and is also known as fairing.
  • This section is a so-called turbine center frame. In the turbo machine according to the invention, this is designed integrally with the following guide vane ring.
  • Figure 2 shows part of the flow-around arrangement 20 according to the invention, which is arranged in the intermediate turbine housing in the hot gas duct. A section is shown, the cut surface lies radially in the center of the hot gas duct and parallel to the longitudinal axis 2.
  • second flow structures 21 and third flow structures 22 can be seen, each as a deflection vane with a suction side (in the figure above ) and a pressure side (in the figure below) are formed.
  • the profile thickness of these thin deflecting vanes is only around 30% of the profile thickness of the first flow structures 6 (in the schematic representation according to FIG Figure 2 the thin turning vanes are shown in simplified form as lines without a profile thickness).
  • the flow structures 6, 21, 22 each have a front edge 6a, 21a, 22a and, downstream of this, a respective rear edge 6b, 21b, 22b.
  • the thin deflecting vanes are provided axially with an overlap with respect to the first flow structures 6, but are also provided offset to a certain extent.
  • the rear edges 21b, 22b of the second and third flow structures 21, 22 are offset axially downstream relative to the rear edges 6b of the first flow structures 6.
  • the second flow structure 21 has its strongest curvature in the area of the axial overlap with the first flow structure 6. As a result, a strong suction is generated and the flow accelerates away from the rear edge 6b of the aerodynamically rather unfavorable first flow structure 6. The wake becomes finer and more even, cf. also the representation in the introduction to the description.
  • the second flow around structure 21 is therefore more curved than the third flow around structure 22 and it has a greater chord length.
  • the first flow structure 6 is arranged on the pressure side of the third flow structure 22, this presses the flow at the rear edge 6b a little way down and thus relieves the rear edge 6b.
  • FIG 3 shows an enlarged representation of the configuration from Figure 2 with the suction field 23 on the top of the thin deflecting vane 21.
  • Both deflecting vanes 21, 22 form with the flow structure 6 in their inlet area narrowing flow channels 24, 25, which lead to a further relief of the flow at the rear edge 6b. Downstream of the rear edge 6b, a further narrowing flow channel follows up to the narrow spacing 26, which, together with the blade curvature, creates the suction field.
  • flow structures 6 with a high thickness and thickness reserves x d / L> 50% are possible, which can accommodate more and larger supply lines and support elements. A reduction in the number of blades, friction loss and weight becomes possible.
  • the flow-around arrangement 20 is constructed overall (over the entire circumference) of 9 first, second and third flow-around structures 6, 21, 22, that is to say has 18 thin deflecting blades.
  • a fourth flow structure also designed as a thin deflection blade, could also be provided, so that three different thin deflection blades would be arranged between two first flow structures 6 (in this case a total of 27 thin deflection blades would be provided), cf. also the introduction to the description. Regardless of this, it is preferred to combine the flow structures 6, 21, 22 in groups in multiple segments.
  • the axial offset can be advantageous in terms of production technology or, conversely, it would sometimes be considerably more complex to achieve the same flow guidance at the rear edge 6b of the first flow structure 6 by means of a first flow structure 6 drawn backwards for a long time.
  • the axial offset between the rear edges 21b, 22b of the second and third flow structures 21, 22 to the rear edges 6b of the first flow structures 6 corresponds to about 1.5 axial lengths of a subsequent rotor 30, specifically its blades 31.
  • the refinement and equalization of the flow described is also advantageous for the operation of the rotor 30.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umströmungsanordnung mit Umströmungsstrukturen zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine.
    • Stand der Technik
  • Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Das vom Heißgas durchströmte Volumen, also der Pfad von der Brennkammer über die Turbine bis zur Düse wird als "Heißgaskanal" bezeichnet.
  • Die vorliegend in Rede stehende Umströmungsanordnung ist zum Anordnen im Heißgaskanal vorgesehen und weist mehrere Umströmungsstrukturen auf. Davon sind zumindest einige als Umlenkschaufel ausgebildet, bei anderen handelt es sich bevorzugt um Stützstreben bzw. entsprechende Verkleidungen. Wie die vorstehende Bezugnahme auf ein Strahltriebwerk soll dies den vorliegenden Gegenstand illustrieren, zunächst aber nicht in seiner Allgemeinheit beschränken. Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. auch um eine stationäre Gas- oder Dampfturbine handeln.
  • Beispiele für Umströmungsanordnungen sind aus den Dokumenten EP 3 121 383 A1 , US 2014/328675 A1 und EP 1 122 407 A2 bekannt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Umströmungsanordnung zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit der Umströmungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese weist eine erste und eine zweite Umströmungsstruktur auf, wobei die zweite Umströmungsstruktur als Umlenkschaufel vorgesehen ist und eine geringere Profildicke als die erste Umströmungsstruktur hat, welche saugseitig der zweiten Umströmungsstruktur angeordnet ist. Ferner sind die Umströmungsstrukturen zwar mit einem teilweisen axialen Überlapp angeordnet, ist zugleich aber die Hinterkante der zweiten Umströmungsstruktur gegenüber jener der ersten Umströmungsstruktur axial stromabwärts versetzt. Bildlich gesprochen werden mit der vorliegenden Umströmungsanordnung zunächst unterschiedliche Umströmungsstrukturen, die bei einer herkömmlichen Bauform axial aufeinander folgend in gesonderten Abschnitten vorgesehen sind, ein Stück weit ineinander geschoben (axialer Überlapp), aber eben nicht vollständig.
  • Indem die Hinterkante der zweiten Umströmungsstruktur (im Folgenden auch "dünne Umlenkschaufel") nach hinten versetzt ist, kann an der Hinterkante der ersten Umströmungsstruktur (im Folgenden auch "dicke Schaufel") ein Sog erzeugt werden. Damit kann die Strömung von der Hinterkante der aerodynamisch ungünstigeren dicken Schaufel wegbeschleunigt werden und lässt sich der Nachlauf verfeinern bzw. vergleichmäßigen, was bspw. schädliche Sekundärströmungen verringern und auch lärmmindernd wirken kann. Bildlich gesprochen bewirkt die dünne Umlenkschaufel eine Entlastung und ein glattes Abströmen an der Hinterkante der dicken Schaufel (Kutta-Bedingung) . Dies kann mit Blick auf die Gleichförmigkeit der Anströmung zum nachgelagerten Rotor von Vorteil sein bzw. auch den Wirkungsgrad der Turbine im Gesamten verbessern helfen, bspw. um ca. 0,25 % bis 0,5 %.
  • Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Beschreibung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen der Umströmungsanordnung bzw. einer entsprechenden Strömungsmaschine oder zugehörigen Verwendungen unterschieden wird, jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
  • Jede der Umströmungsstrukturen hat eine Vorder- und eine Hinterkante, dazwischen erstrecken sich jeweils zwei einander entgegengesetzte Seitenflächen der jeweiligen Umströmungsstruktur. Die Profildicke wird zwischen den Seitenflächen genommen. Im Einzelnen erstreckt sich mittig zwischen den Seitenflächen jeweils die Skelettlinie zwischen Vorder- und Hinterkante der jeweiligen Umströmungsstruktur, und ergibt sich die Profildicke dann als größter Kreisdurchmesser auf der Skelettlinie (der Kreis berührt die Seitenflächen, der Mittelpunkt liegt auf der Skelettlinie). Die dünne Umlenkschaufel kann bspw. eine um mindestens 50 %, 60 %, 70 % bzw. 80 % geringere Profildicke als die erste Umströmungsstruktur haben, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. höchstens 99 %, 97 % bzw. 95 % (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt).
  • Soweit generell im Rahmen dieser Offenbarung unterschiedliche Strukturen miteinander verglichen werden, etwa die Umströmungsstrukturen untereinander oder auch mit anderen Schaufeln der Turbine (siehe unten), wird die Ausgestaltung der jeweiligen Struktur in ihrer jeweiligen radialen Mitte zugrunde gelegt. Betrachtet wird also jeweils die Form in halber Höhe (radial genommen) der entsprechenden Umströmungsstruktur bzw. der Umlenkschaufel oder des Schaufelblatts. Radial mittig des Gaskanals kann der Einfluss auf die Strömung am größten sein. Bevorzugt sind die jeweiligen Strukturen aber gleichwohl über ihre gesamte Höhe relativ zueinander entsprechend ausgestaltet (jedenfalls bei einem Vergleich in jeweils prozentual gleicher Höhe).
  • Generell bezieht sich im Rahmen dieser Offenbarung "axial" auf die Längsachse der Strömungsmaschine, die bspw. mit einer Drehachse der Rotoren zusammenfällt. "Radial" betrifft die dazu senkrechten, davon wegweisenden Radialrichtungen, und ein "Umlauf" bzw. "umlaufend" oder die "Umlaufrichtung" betreffen die Drehung um die Längsachse. Die erste und die zweite Umströmungsstruktur sind bspw., aufgrund des axialen Überlapps, auch in Umlaufrichtung aufeinander folgend angeordnet. In anderen Worten meint "axialer" Überlapp bspw., dass eine Projektion der ersten Umströmungsstruktur radial auf die Längsachse mit einer Projektion der zweiten Umströmungsstruktur radial auf die Längsachse einen Überlapp hat.
  • "Ein" und "eine" sind im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel und damit immer auch als "mindestens ein" bzw. "mindestens eine" zu lesen. Über einen vollständigen Umlauf um die Längsachse kann die Umströmungsanordnung also selbstverständlich eine Mehrzahl erster und zweiter Umströmungsstrukturen aufweisen, bspw. jeweils mindestens 4, 5 oder 6, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. höchstens 30, 20 bzw. 15. Jeweils untereinander sind die ersten und die zweiten Umströmungsstrukturen dann bevorzugt baugleich und drehsymmetrisch angeordnet. Wie nachstehend im Einzelnen deutlich wird, kann es auch dritte und ggf. vierte bzw. auch weitere Umströmungsstrukturen geben, die dann ebenfalls als dünne Umlenkschaufeln ausgebildet sind. Umlaufend zwischen zwei dicken Schaufeln kann es also bspw. jeweils mindestens zwei und bevorzugt nicht mehr als neun, acht, sieben, sechs, fünf, vier bzw. drei dünne Umlenkschaufeln geben.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist die erste Umströmungsstruktur als tragende Stützstrebe oder als Verkleidung, insbesondere als Verkleidung einer tragenden Stützstrebe vorgesehen. Die Stützstrebe ist ein tragender Bestandteil der Strömungsmaschine, bevorzugt trägt sie (gemeinsam mit weiteren umlaufend angeordneten Stützstreben) das Lager der Turbinenwelle, insbesondere der Hochdruckturbinenwelle. Das Lager ist bevorzugt im Turbinenzwischengehäuse angeordnet, im sog. Mid Turbine Frame. Die Stützstreben können sich jeweils von dem Lager weg nach radial außen erstrecken und das Lager so zentriert im Gehäuse halten, gewissermaßen speichenförmig.
  • Bevorzugt ist die erste Umströmungsstruktur eine Verkleidung, in der bspw. auch eine Versorgungsleitung geführt sein kann, bevorzugt ist sie eine Verkleidung einer Stützstrebe, ist sie also aus aerodynamischen Gründen an das eigentlich tragende Bauteil angesetzt. Auch in diesem Fall können dann zusätzlich Versorgungsleitungen etc. geführt sein. Eine solche Verkleidung wird auch als Fairing bezeichnet. Die tragende Funktion bzw. das Umschließen der Stützstrebe erfordern eine gewisse Strukturgröße, also große Profildicke. Dies ist aerodynamisch von Nachteil, was aber durch die Kombination mit der dünnen Umlenkschaufel zumindest teilweise kompensiert wird.
  • Die erste Umströmungsstruktur kann im Allgemeinen auch nicht umlenkend vorgesehen sein, bevorzugt ist sie mit weniger als 5° schwachumlenkend, hat sie aber keine Wirkung auf die Strömung (infolge Radienänderung und Drallsatz wird kein Impuls auf die Strömung übertragen). Der dünnen Umlenkschaufel ist die erste Umströmungsstruktur (dicke Schaufel) mit ihrer Unterseitenfläche zugewandt. An der Unterseite der dicken Schaufel ist mehr Umlenkung notwendig, weil ihre Unterseitenfläche infolge der hohen Dicke im Wesentlichen axial in die Hinterkante läuft, bspw. um nicht mehr als 10 ° bzw. 5 ° zur axialen Richtung verkippt. Die dünnen Umlenkschaufel erzeugt an der Hinterkante der dicken Schaufel einmal eine Beschleunigung (Düseneffekt). Weiter wird der Nachlauf von der Hinterkante "weggesaugt".
  • In bevorzugter Ausgestaltung hat die dünne Umlenkschaufel ihre maximale Krümmung dort, wo sie den axialen Überlapp mit der ersten Umströmungsstruktur hat. Dieses Design mit einer starken Krümmung ist einer Tragfläche mit ausgefahrener Fowler-Klappe vergleichbar, was den an der Hinterkante der dicken Schaufel erzeugten Sog weiter erhöht.
  • Die Hinterkante ist der dünnen Umlenkschaufel um mindestens das 0,5-fache, weiter und besonders bevorzugt mindestens 0,7- bzw. 0,9-fache der axialen Länge der Beschaufelung eines stromabwärts direkt darauffolgend angeordneten Rotors zu der Hinterkante der ersten Umströmungsstruktur versetzt (axial stromabwärts). Obergrenzen, die im Allgemeinen auch unabhängig von den Untergrenzen von Interesse sein können, liegen bei höchstens dem 4-fachen, weiter und besonders bevorzugt höchstens 2,6- bzw. 2,2-fachen. Die "axiale Länge" ergibt sich als axialer Anteil der Sehnenlänge der Laufschaufeln des Rotors (sollte dieser mit unterschiedlichen Schaufeln bestückt sein, wird ein über diese gebildeter Mittelwert betrachtet).
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorderkante der dünnen Umlenkschaufel zu jener der dicken Schaufel axial stromabwärts versetzt. Bevorzugt ist ein Versatz um mindestens das 0,4-, 0,5- bzw. 0,6-fache der axialen Länge der ersten Umströmungsstruktur (dicken Schaufel), also des axialen Anteils deren Sehnenlänge. Eine vorteilhafte Obergrenze liegt (auch davon unabhängig) bei bevorzugt höchstens dem 0,9-fachen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die dünne Umlenkschaufel eine Sehnenlänge, die mindestens dem 1-fachen, bevorzugt mindestens dem 1,5-fachen, einer Sehnenlänge der Beschaufelung des stromabwärts direkt darauffolgend angeordneten Rotors ausmacht. Sollte dieser mit unterschiedlichen Schaufeln ausgestattet sein, wird wiederum ein Mittelwert betrachtet. Vorteilhafte Obergrenzen der Sehnenlänge der dünnen Umlenkschaufel liegen bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens dem 8-, 7-, 6-, 5-, 4-, bzw. 3-fachen der Sehnenlänge des darauffolgenden Rotors. Besonders bevorzugt ist also eine Sehnenlänge von in etwa dem 2- bis 3-fachen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung weist die Umströmungsanordnung eine dritte Umströmungsstruktur auf, die analog der zweiten Umströmungsstruktur als dünne Umlenkschaufel vorgesehen, zu der zweiten Umströmungsstruktur aber nicht baugleich ist. Die dritte Umströmungsstruktur ist oberseitig der dicken Schaufel angeordnet (die dicke Schaufel liegt saugseitig der dritten Umströmungsstruktur). Umlaufend zwischen zwei dicken Schaufeln sind dann also jeweils mindestens zwei unterschiedliche dünne Umlenkschaufeln vorgesehen. Die Hinterkante der dritten Umströmungsstruktur ist zu jener der dicken Schaufel bevorzugt axial stromabwärts versetzt, zu jener der zweiten Umströmungsstruktur ist sie bevorzugt axial versatzfrei (nicht versetzt), was bevorzugt auch für eine vierte bzw. generell weitere Umströmungsstrukturen gilt.
  • In bevorzugter Ausgestaltung hat die dritte Umströmungsstruktur eine geringere Sehnenlänge als die zweite Umströmungsstruktur. Wie vorstehend dargelegt, kann an der Unterseite der ersten Umströmungsstruktur mehr Umlenkung erforderlich sein, was mit der größeren Sehnenlänge der zweiten Umströmungsstruktur erreicht wird. Sind umlaufend zwischen zwei ersten Umströmungsstrukturen mehr als zwei unterschiedliche dünne Umlenkschaufeln vorgesehen, haben diese bevorzugt insgesamt von der Unterseite der einen dicken Schaufel zur Oberseite der anderen dicken Schaufel eine abnehmende Sehnenlänge. Mit der veränderlichen Sehnenlänge lässt sich der freie Strömungsquerschnitt so einstellen, dass eine gleichmäßige Anströmung des darauf folgenden Rotors erreicht wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die dritte Umströmungsstruktur eine geringere Krümmung als die zweite. Es wird also mit einer stärker gekrümmten zweiten Umströmungsstruktur an der Unterseite der dicken Schaufel mehr Umlenkung erreicht, siehe vorne. Sind umlaufend zwischen zwei ersten Umströmungsstrukturen mehr als zwei unterschiedliche dünne Umlenkschaufeln vorgesehen, haben diese bevorzugt insgesamt von der Unterseite der einen dicken Schaufel zu der Oberseite der anderen dicken Schaufel eine abnehmende Krümmung.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist eine weitere dünne Umlenkschaufel vorgesehen (vierte Umströmungsstruktur), wobei die zweite, dritte und vierte Umströmungsstruktur untereinander nicht baugleich sind. Die vierte Umströmungsstruktur ist saugseitig der dritten Umströmungsstruktur angeordnet. Sofern genau drei unterschiedliche dünne Umlenkschaufeln umlaufend zwischen zwei dicken Schaufeln angeordnet sind, ist auch druckseitig der zweiten Umströmungsstruktur eine vierte Umströmungsstruktur angeordnet.
  • In bevorzugter Ausgestaltung hat die vierte Umströmungsstruktur eine größere Sehnenlänge als die dritte Umströmungsstruktur oder ist sie stärker gekrümmt, bevorzugt beides. Bevorzugt nimmt die Sehnenlänge und/oder Krümmung von der dritten Umströmungsstruktur über die vierte zu der zweiten Umströmungsstruktur zu.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind zwischen zwei ersten Umströmungsstrukturen, die zueinander in Umlaufrichtung nächstbenachbart sind, mindestens vier Umströmungsstrukturen angeordnet, die jeweils als Umlenkschaufel ausgebildet sind. Von dieser Untergrenze unabhängige Obergrenzen können bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens zwölf, elf, zehn bzw. neun Umlenkschaufeln liegen. Besonders bevorzugt können genau vier Umlenkschaufeln sein. Zwischen den zueinander nächstbenachbarten ersten Umströmungsstrukturen können dann also bevorzugt die zweite, dritte, vierte und eine fünfte Umströmungsstruktur angeordnet sein, vgl. auch die vorstehende Beschreibung mit weiteren Detailangaben.
  • Soweit generell zwischen zwei ersten Umströmungsstrukturen mehrere Umlenkschaufeln vorgesehen sind, können letztere zueinander mit ihren Hinterkanten auch versetzt, also gestaffelt angeordnet sein. Bezogen auf die Umlaufrichtung ist im Allgemeinen auch eine äquidistante Anordnung der Hinterkanten der Umlenkschaufeln möglich, bevorzugt kann aber eine nichtäquidistante Anordnung sein.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind zumindest die zwischen den zwei in Umlaufrichtung nächstbenachbarten ersten Umströmungsstrukturen angeordneten Umlenkschaufeln als Mehrfach-Segment ausgebildet. Es kann auch die erste Umströmungsstruktur als Teil des Mehrfach-Segments vorgesehen sein. Andererseits kann aber auch eine Unterteilung dahingehend vorteilhaft sein, dass lediglich die Umlenkschaufeln in Mehrfach-Segmenten oder auch in einem Kranz zusammengefasst werden, wobei die ersten Umströmungsstrukturen dann damit zusammengesetzt werden. Die erste Umströmungsstruktur bzw. -strukturen werden dann also für sich gegossen; um dann den axialen Überlapp zu realisieren, kann in die Hinterkanten der ersten Umströmungsstrukturen dann jeweils eine Ausnehmung eingebracht werden, z. B. gefräst werden, in welche dann das Segment bzw. der Kranz mit den Umlenkschaufeln eingeschoben wird. Die Umströmungsstrukturen des Mehrfach-Segments bzw. Kranzes sind einstückig miteinander, also nicht zerstörungsfrei voneinander trennbar, bevorzugt können sie monolithisch ausgebildet sein, insbesondere aus einem Guss geformt.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Strömungsmaschine mit einer vorliegend offenbarten Umströmungsanordnung, diese kann insbesondere im Turbinenzwischengehäuse angeordnet sein.
  • Ebenso betrifft die Erfindung die Verwendung einer vorliegend offenbarten Umströmungsanordnung in einer Strömungsmaschine, insbesondere einem Flugtriebwerk.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
  • Im Einzelnen zeigt
    • Figur 1a
    ein Strahltriebwerk in einem Schnitt;
    Figur 1b
    eine schematische Detailansicht zu Figur 1a;
    Figur 2
    eine erfindungsgemäße Umströmungsanordnung im Turbinenzwischengehäuse des Strahltriebwerks gemäß Figur 1.
    Figur 3
    die Lage der Teilkanäle mit Beschleunigung (Düse) sowie das Sogfeld der Umlenkschaufeln.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Figur 1a zeigt eine Strömungsmaschine 1 im Schnitt, konkret ein Strahltriebwerk. Figur 1b zeigt eine schematische Detailansicht dazu, die folgenden Anmerkungen beziehen sich auf beide Figuren. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine 1 in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich in der Regel aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Die Laufschaufelkränze rotieren im Betrieb um die Längsachse 2 der Strömungsmaschine 1. Die Turbinenwelle 3 ist in einem Lager 4 geführt, das von Stützstreben 5 (teils strichliert) in der übrigen Strömungsmaschine 1 gehalten wird. Im Bereich des Heißgaskanals ist jede der Stützstreben 5 aus aerodynamischen und auch thermischen Gründen ummantelt, nämlich von einer ersten Umströmungsstruktur 6, die eine Verkleidung darstellt und auch als Fairing bezeichnet wird. Dieser Abschnitt ist ein sog. Turbinenzwischengehäuse. Bei der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ist dieses integral mit dem darauffolgenden Leitschaufelkranz ausgeführt.
  • Figur 2 zeigt einen Teil der erfindungsgemäßen Umströmungsanordnung 20, die in dem Turbinenzwischengehäuse im Heißgaskanal angeordnet ist. Gezeigt ist ein Schnitt, die Schnittfläche liegt radial mittig im Heißgaskanal und parallel zur Längsachse 2. Zusätzlich zu den ersten Umströmungsstrukturen 6 (Fairings) sind zweite Umströmungsstrukturen 21 und dritte Umströmungsstrukturen 22 zu erkennen, die jeweils als Umlenkschaufel mit einer Saugseite (in der Figur oben) und einer Druckseite (in der Figur unten) ausgebildet sind. Die Profildicke dieser dünnen Umlenkschaufeln beträgt nur rund 30 % der Profildicke der ersten Umströmungsstrukturen 6 (in der schematischen Darstellung gemäß Figur 2 sind die dünnen Umlenkschaufeln vereinfacht als Linien ohne Profildicke wiedergegeben).
  • Die Umströmungsstrukturen 6, 21, 22 haben jeweils eine Vorderkante 6a, 21a, 22a und stromabwärts dazu eine jeweilige Hinterkante 6b, 21b, 22b. Die dünnen Umlenkschaufeln sind zu den ersten Umströmungsstrukturen 6 zwar axial mit einem Überlapp, dabei aber auch ein Stück weit versetzt vorgesehen. Die Hinterkanten 21b, 22b der zweiten und dritten Umströmungsstrukturen 21, 22 sind zu den Hinterkanten 6b der ersten Umströmungsstrukturen 6 axial stromabwärts versetzt. Zudem hat die zweite Umströmungsstruktur 21 ihre stärkste Krümmung im Bereich des axialen Überlapps mit der ersten Umströmungsstruktur 6. Im Ergebnis wird damit ein starker Sog erzeugt und die Strömung von der Hinterkante 6b der aerodynamisch eher ungünstigen ersten Umströmungsstruktur 6 wegbeschleunigt. Der Nachlauf wird feiner und gleichmäßiger, vgl. auch die Darstellung in der Beschreibungseinleitung.
  • An der Unterseite der ersten Umströmungsstruktur 6 (in der Figur unten) muss die Strömung stärker umgelenkt werden als an der Oberseite, weil die untere Seitenfläche infolge des größeren Keilwinkels bzw. der großen Dicke im Wesentlichen axial in die Hinterkante 6b läuft. Deshalb ist die zweite Umströmungsstruktur 21 stärker gekrümmt als die dritte Umströmungsstruktur 22 und hat sie eine größere Sehnenlänge. Die erste Umströmungsstruktur 6 ist druckseitig der dritten Umströmungsstruktur 22 angeordnet, diese drückt die Strömung an der Hinterkante 6b ein Stück weit nach unten und entlastet so die Hinterkante 6b.
  • Figur 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Konfiguration aus Figur 2 mit dem Sogfeld 23 auf der Oberseite der dünnen Umlenkschaufel 21. Beide Umlenkschaufeln 21, 22 bilden mit der Umströmungsstruktur 6 in ihrem Eintrittsbereich sich verengende Strömungskanäle 24, 25, die zu einer weiteren Entlastung der Strömung an der Hinterkante 6b führen. Stromab der Hinterkante 6b schließt sich bis zum Engabstand 26 ein weiterer verengender Strömungskanal an, der zusammen mit der Schaufelkrümmung das Sogfeld erzeugt. Es werden so Umströmungsstrukturen 6 mit hoher Dicke und Dickenrücklagen xd/L > 50% möglich, die mehr und größere Versorgungsleitungen und Stützelemente aufnehmen können. Eine Verringerung von Schaufelzahl, Reibungsverlust und Gewicht wird möglich.
  • Die Umströmungsanordnung 20 ist in diesem Beispiel insgesamt (über den gesamten Umlauf) aus jeweils 9 ersten, zweiten und dritten Umströmungsstrukturen 6, 21, 22 aufgebaut, weist also 18 dünne Umlenkschaufeln auf. Es könnte auch zusätzlich eine vierte, ebenfalls als dünne Umlenkschaufel ausgebildete Umströmungsstruktur vorgesehen sein, sodass also zwischen zwei ersten Umströmungsstrukturen 6 jeweils drei unterschiedliche dünne Umlenkschaufeln angeordnet wären (in diesem Fall wären insgesamt 27 dünne Umlenkschaufeln vorgesehen), vgl. auch die Beschreibungseinleitung. Unabhängig davon im Einzelnen ist ein gruppenweises Zusammenfassen der Umströmungsstrukturen 6, 21, 22 in Mehrfachsegmenten bevorzugt. In dieser Hinsicht kann der axiale Versatz herstellungstechnisch vorteilhaft sein bzw. wäre es umgekehrt mitunter erheblich aufwendiger, dieselbe Strömungsführung an der Hinterkante 6b der ersten Umströmungsstruktur 6 durch eine lang nach hinten gezogene erste Umströmungsstruktur 6 zu erreichen.
  • Der axiale Versatz zwischen den Hinterkanten 21b, 22b der zweiten und dritten Umströmungsstrukturen 21, 22 zu den Hinterkanten 6b der ersten Umströmungsstrukturen 6 entspricht in etwa 1,5 axialen Längen eines darauffolgenden Rotors 30, konkret dessen Beschaufelung 31. Die beschriebene Verfeinerung und Vergleichmäßigung der Strömung ist auch für den Betrieb des Rotors 30 vorteilhaft. BEZUGSZEICHENLISTE
    Strömungsmaschine 1
    Längsachse (der Strömungsmaschine) 2
    Turbinenwelle 3
    Lager (der Turbinenwelle) 4
    Stützstreben 5
    Erste Umströmungsstruktur 6
      Vorderkante davon 6a
      Hinterkante davon 6b
    Umströmungsanordnung 20
    Zweite Umströmungsstruktur 21
      Vorderkante davon 21a
      Hinterkante davon 21b
    Dritte Umströmungsstruktur 22
      Vorderkante davon 22a
      Hinterkante davon 22b
    Sogfeld 23
    Strömungskanäle 24, 25
    Engabstand 26
    Rotor 30
    Beschaufelung (des Rotors) 31

Claims (14)

  1. Umströmungsanordnung (20) zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine (1), mit
    einer ersten Umströmungsstruktur (6) und
    einer zweiten Umströmungsstruktur (21),
    welche Umströmungsstrukturen (6, 21) in Bezug auf die Umströmung in dem Heißgaskanal jeweils eine Vorderkante (6a, 21a) und stromabwärts dazu eine Hinterkante (6b, 21b) haben,
    wobei die zweite Umströmungsstruktur (21) als Umlenkschaufel mit einer Saugseite und einer Druckseite vorgesehen ist und eine geringere Profildicke hat als die erste Umströmungsstruktur (6), welche auf der Saugseite der zweiten Umströmungsstruktur (21) angeordnet ist,
    wobei die zweite Umströmungsstruktur (21) bezogen auf eine Längsachse (2) der Strömungsmaschine (1) mit der ersten Umströmungsstruktur (6) zwar einen teilweisen axialen Überlapp hat, zugleich aber die Hinterkante (21b) der zweiten Umströmungsstruktur (21) zu der Hinterkante (6b) der ersten Umströmungsstruktur (6) axial stromabwärts versetzt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (21b) der zweiten Umströmungsstruktur (21) zu der Hinterkante (6b) der ersten Umströmungsstruktur (6) um mindestens das 0,5-fache und höchstens das 4,0-fache einer axialen Länge der Beschaufelung (31) eines Rotors, der dazu bestimmt ist, direkt auf die Umströmungsanordnung (20) folgend axial stromabwärts angeordnet zu sein, versetzt ist.
  2. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 1, bei welcher die erste Umströmungsstruktur (6) als tragende Stützstrebe oder Verkleidung einer solchen vorgesehen ist.
  3. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die zweite Umströmungsstruktur (21) eine maximale Krümmung dort hat, wo sie den axialen Überlapp mit der ersten Umströmungsstruktur (6) hat.
  4. Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Vorderkante (21a) der zweiten Umströmungsstruktur (21) zu der Vorderkante (6a) der ersten Umströmungsstruktur (6) axial stromabwärts versetzt ist, und zwar um mindestens das 0,4-fache und höchstens das 0,9-fache einer axialen Länge der ersten Umströmungsstruktur (6).
  5. Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die zweite Umströmungsstruktur (21) eine Sehnenlänge hat, die mindestens dem 1-fachen und höchstens dem 8-fachen einer Sehnenlänge der Beschaufelung (31) eines Rotors, der dazu bestimmt ist, direkt auf die Umströmungsanordnung (20) folgend axial stromabwärts angeordnet zu sein, ausmacht.
  6. Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer dritten Umströmungsstruktur (22), die als Umlenkschaufel mit einer Saugseite und einer Druckseite vorgesehen ist und eine geringere Profildicke hat als die erste Umströmungsstruktur (6), dabei aber die zweite und die dritte Umströmungsstruktur (21, 22) unterschiedlich geformt sind, wobei die erste Umströmungsstruktur (6) auf der Druckseite der dritten Umströmungsstruktur (22) angeordnet ist.
  7. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 6, bei welcher die dritte Umströmungsstruktur (22) eine geringere Sehnenlänge hat als die zweite Umströmungsstruktur (21).
  8. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die dritte Umströmungsstruktur (22) eine geringere Krümmung hat als die zweite Umströmungsstruktur (21).
  9. Umströmungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit einer vierten Umströmungsstruktur, die als Umlenkschaufel mit einer Saugseite und einer Druckseite vorgesehen ist und eine geringere Profildicke hat als die erste Umströmungsstruktur (6), dabei aber die zweite, dritte und vierte Umströmungsstruktur (21, 22) unterschiedlich geformt sind, wobei die vierte Umströmungsstruktur auf der Saugseite der dritten Umströmungsstruktur (22) angeordnet ist.
  10. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 9, bei welcher die vierte Umströmungsstruktur eine größere Sehnenlänge und/oder Krümmung hat als die dritte Umströmungsstruktur (22).
  11. Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher umlaufend zwischen zwei in Umlaufrichtung nächstbenachbarten ersten Umströmungsstrukturen (6) mindestens zwei und nicht mehr als zwölf jeweils als Umlenkschaufel mit einer Saugseite und einer Druckseite vorgesehene Umströmungsstrukturen (21, 22) angeordnet sind.
  12. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 11, bei welcher zumindest die zwischen den zwei in Umlaufrichtung nächstbenachbarten ersten Umströmungsstrukturen (6) angeordneten Umströmungsstrukturen (21, 22) als Mehrfach-Segment ausgebildet sind.
  13. Strömungsmaschine (1) mit einer Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere in einem Turbinenzwischengehäuse angeordnet.
  14. Verwendung einer Umströmungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Strömungsmaschine (1), insbesondere in einem Flugtriebwerk.
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