WO2021083442A1 - Turbomaschinen-leitschaufelanordnung - Google Patents

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WO2021083442A1
WO2021083442A1 PCT/DE2020/000249 DE2020000249W WO2021083442A1 WO 2021083442 A1 WO2021083442 A1 WO 2021083442A1 DE 2020000249 W DE2020000249 W DE 2020000249W WO 2021083442 A1 WO2021083442 A1 WO 2021083442A1
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guide vane
groove
blade
wall
axis
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PCT/DE2020/000249
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Andre Inzenhofer
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MTU Aero Engines AG
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    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
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    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a guide vane arrangement for a turbo machine, in particular a compressor or turbine stage of a gas turbine, with at least one guide vane adjustable about an axis of rotation, as well as a turbo machine, in particular a gas turbine, with the guide vane arrangement and a method for operating the Guide vane arrangement or turbo machine.
  • a partial gap is generally present in at least one position between a wall and an end face of the vane blade of the guide vane facing it and spaced from it.
  • This partial gap often still has a minimum gap height, in particular for thermodynamic and manufacturing reasons, even in a nominal position or a design operating point and / or increases with increasing adjustment.
  • an undesired partial gap flow from the pressure to the suction side through the partial gap can occur, which, in particular due to mixing losses, flow redistribution and / or delay, in particular local blockages and / or eddies, in particular corner eddies, which can impair the performance, in particular the efficiency and / or the aerodynamic stability, of the turbomachine.
  • One object of an embodiment of the present invention is to improve the operation of a turbomachine, preferably to reduce at least one of the disadvantages mentioned above.
  • Claims 10, 1 1 represent a turbo machine with at least one
  • a guide vane arrangement for a, in particular a, turbo machine in particular a compressor or turbine stage of a gas turbine, in particular an aircraft engine
  • At least one of these walls in one embodiment the radially inner or hub-side wall and / or the radially outer or housing-side wall (each), has a first groove assigned to the guide vane or one of the guide vanes, which a rear or downstream (right) and a rotational axis nearer or upstream (right) front (groove) flank, which through a first or pressure-side (right) flank and one in this circumferential direction, in one embodiment in a longitudinal direction the groove, the subsequent second or suction-side (right) end of the first groove are connected to one another, wherein in one or more positions of this guide vane, in particular over at least a quarter, in particular half, of a (maximum) adjustment range, in particular over the complete or maximum adjustment range, the guide vane, and / or in the design operating point or a nominal position, a vane-side opening of the first N.
  • ut in the wall
  • a projection of an end face of the blade of this guide vane facing this wall and spaced from it in the direction of the axis of rotation onto this wall at least partially overlap one another.
  • the end face and groove (opening) thus at least partially overlap one another.
  • a partial gap flow from the pressure to the suction side of the guide vane through the partial gap between the wall and the end face of the blade of the guide vane facing and spaced from it can advantageously be reduced and / or deflected and so, in particular by reducing flow redistributions and / or delays, in particular local blockages, mixing losses and / or turbulence, in particular corner vortices, which improve the performance, in particular the efficiency and / or the aerodynamic stability, of the turbomachine.
  • one or more of the guide vanes of the Leitschaufelan- order are assigned one of the first grooves described here in the radially inner wall and / or one of the first grooves described here in the radially outer wall .
  • the radially inner wall and / or the radially outer wall for the guide vane or one or more of the guide vanes have a ne or more further grooves assigned to the (respective) guide vane and spaced from the first groove assigned to this guide vane, which (each) have a rear or downstream (right) and a rotational axis nearer or downstream (right) front flank , which (each) are connected to one another by a first and one in the circumferential direction, in one embodiment in a longitudinal direction of the groove, followed by the second end of this further groove, wherein in the position or positions of the respective guide vane, in particular over at least a quarter , in particular half, of a (maximum) adjustment range, in particular the complete or maximum adjustment range, and / or in the design operating point or a nominal position, a projection of the face of the blade of the respective guide vane facing this wall and spaced from it in the direction of the respective axis of rotation on this wall and a
  • the first and further groove (s) assigned to a guide vane are spaced from one another in the flow direction or in the direction of a rotational or (main) machine axis of the turbo machine, in particular offset from one another and / or one behind the other arranged.
  • the partial gap flow can be particularly advantageously reduced and / or deflected and so, in particular by reducing flow redistributions and / or delays, in particular local blockages, mixing losses and / or turbulence, in particular corner eddies, the performance, in particular the efficiency and / or the aerodynamic stability, of the turbomachine can be improved particularly advantageously
  • the first and / or further groove (s) are of the type, in particular with the proviso , designed, in particular designed or configured that an inflow of (working) fluid into the partial gap between the end face of the (respective) guide vane and the wall facing it hinders at one or more operating points, in particular the design operating point or the nominal position of the guide vane , blocked in one execution, and / or fluid flowing out of the partial gap and / or the groove is deflected to a rear edge of the (respective) guide vane.
  • the second or suction-side end of the or one or more of the first groove (s) and / or of the or one or more of the further groove (s) each have at least one undercut.
  • the or one or more of the first groove (s) and / or the or one or more of the further groove (s) have a half-heart-shaped cross section at least in sections, in particular along at least a section of their longitudinal direction or axis and / or in a section perpendicular to its longitudinal direction or axis.
  • this brings about a (back) circulation of inflowing fluid, which particularly advantageously reduces and / or deflects the partial gap flow and so, in particular by reducing flow redistributions and / or delays, in particular local blockages, mixing losses and / or turbulence, in particular Corner vortices, the performance, in particular the efficiency and / or the aerodynamic stability, of the turbomachine improves in a particularly advantageous manner.
  • the rear flank and / or the front flank closer to the axis of rotation of the or one or more of the first groove (s) and / or of the or one or more of the further groove (s) rise at least in sections with increasing distance towards the axis of rotation (of the guide vane to which this groove is assigned) towards the opening of this groove on the vane side, in one embodiment at least partially monotonous, in particular linear.
  • a corresponding front flank closer to the axis of rotation is advantageously braked and the partial gap flow is particularly advantageously reduced and / or deflected and so, in particular by reducing flow redistributions and / or delays, in particular local blockages, mixing losses and / or turbulence, in particular Corner vertebrae, the perfor- Mance, in particular the efficiency and / or the aerodynamic stability, of the turbomachine is improved in a particularly advantageous manner.
  • fluid flowing out of the groove or the partial gap is advantageously deflected towards the rear edge of the (respective) guide vane or in the direction of the rotation or (main) machine axis of the turbo machine or a corresponding one (Axial) impulse impressed.
  • the performance, in particular the efficiency and / or the aerodynamic stability, of the turbo machine can be improved can be advantageously improved.
  • the rear flank of the or one or more of the first groove (s) and / or of the or one or more of the further groove (s) is convex at the blade-side opening of this groove, in a white - formation, it has a (down) rounding at the opening on the blade side.
  • fluid flowing out of the groove can be deflected in a particularly advantageous manner, in particular a corresponding (axial) pulse can be impressed in a particularly advantageous manner.
  • a corresponding (axial) pulse can be impressed in a particularly advantageous manner.
  • a first or pressure-side end of the blade-side opening of the or one or more of the first groove (s) and / or of the or one or more of the further groove (s) is at least so far from the axis of rotation of the guide vane to which this groove is assigned, spaced like a second or suction-side (right) end of the vane-side opening of this groove, in particular further than the second, in the circumferential direction, in one embodiment in the longitudinal direction of the groove or suction-side (right) end.
  • the first or pressure-side end of the or one or more of the first groove (s) and / or of the or one or more of the further groove (s) is at least as far from the axis of rotation of the Guide vane to which this groove is assigned, spaced apart like that in the circumferential direction, in one embodiment in the longitudinal direction of the groove, subsequent second or suction side (right) end of this groove, in particular further than the second or suction side (right) end or the second or suction-side (right) end not spaced further from the axis of rotation than the first or pressure-side (right) end.
  • the groove is a diagonal groove inclined with respect to the rotation or (main) machine axis of the turbo machine, in another embodiment a (transverse) groove perpendicular to the rotation or (main) machine axis of the turbo machine.
  • inflowing fluid can be particularly advantageously deflected and so, in particular by reducing flow redistributions and / or delays, in particular local blockages, mixing losses and / or turbulence, in particular corner vortices, the performance, in particular the efficiency and / or the aerodynamic stability , the turbomachine can be improved particularly advantageously.
  • one or more of the guide vane (s) is in the position (s), in particular over at least a quarter, in particular half, of a (maximum) adjustment range, in particular the complete or maximum adjustment range, and / or In the design operating point or a nominal position, the blade-side opening of the or one or more of the first groove (s) and / or the or one or more of the further groove (s) opposite the suction and / or pressure side of the one facing it Front face of the airfoil of the (respective) guide vane to which this groove is assigned.
  • a protrusion on the pressure side allows fluid to be extracted particularly advantageously before or when flowing into the partial gap; in an embodiment, a protrusion on the suction side allows fluid to be removed from the groove in a particularly advantageous manner.
  • the partial gap flow can be particularly advantageously reduced and / or deflected and so, in particular through Reduction of flow redistributions and / or delays, in particular local blockages, mixing losses and / or turbulence, in particular corner vortices, which improves the performance, in particular the efficiency and / or the aerodynamic stability, of the turbomachine.
  • a minimum distance between the blade-side opening of the or one or more of the first groove (s) and an upstream beginning of the end face of the blade of the guide vane that faces this groove and to which this groove is assigned is, (each) at most 25% of a minimum distance between this upstream beginning of the face and a trailing edge of the water face. In one embodiment, this allows fluid to flow out of the groove in the vicinity of the start of the partial gap.
  • the partial gap flow can be deflected particularly advantageously and so, in particular by reducing flow distributions and / or delays, in particular local blockages, mixing losses and / or turbulence, in particular corner vortices, the performance, in particular the efficiency and / or the aerodynamic stability , the turbo machine can be improved.
  • the or one or more of the guide vane (s), in one embodiment synchronously and / or motorized, are adjusted into a position about their axis of rotation , in which the vane-side opening of the first and / or further groove (s) assigned to this guide vane of the radially inner and / or outer wall and the projection of the end face facing these ⁇ ) of the vane blade in the direction of its axis of rotation on this wall each other at least partially cover, in one version following each other in at least two such positions, in particular over at least a quarter of an adjustment range of the guide vane (s).
  • the end face facing the first wall and / or the end face facing the second wall of the blade of the or one or more of the guide vane (s) is in one or more positions, in particular over at least a quarter, in particular half, of a ( maximum) adjustment range, in particular over the complete or maximum adjustment range, and / or in the design operating point or a nominal position, this guide vane (in each case) in the circumferential direction between the first and second end of the first and / or further groove (s) assigned to this guide vane or their vane-side openings) arranged in this wall.
  • Ring inside / outside refers in one embodiment to a radial direction perpendicular to the rotation or (main) machine axis of the turbo machine and a direction of rotation around it. Further advantageous developments of the present invention emerge from the subclaims and the following description of preferred embodiments.
  • FIG. 1 shows a guide vane arrangement of a turbomachine according to an embodiment of the present invention in a meridional section
  • FIG. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1;
  • Fig. 3 is a section along the line 111-111 in Fig. 1;
  • FIG. 4 shows a guide vane arrangement according to an embodiment of the present invention in a representation corresponding to FIG. 2.
  • FIG. I shows a guide vane arrangement of a turbomachine according to an embodiment of the present invention in a meridional section (FIG. I), a section perpendicular to an axis of rotation D (FIG. 2) and a section perpendicular to these two cuts (FIG. 3).
  • the guide vane arrangement has a plurality of guide vanes, one of which is shown in FIGS. 1-3.
  • the guide vane is adjusted about the axis of rotation D or is set up for this purpose.
  • Your blade 10 has a pressure side 11 and a suction side 12 and is arranged between a first, radially inner or hub-side wall 1 and a second, radially outer or housing-side wall 2.
  • the first wall 1 has a first groove assigned to this guide vane, which has a rear, downstream (right) flank 22 and a rotational axis closer or upstream (right) front flank 21, which is defined by a first, pressure-side (right) end 23 and a second, suction-side (right) end 24 are connected to one another, and has a blade-side opening 25, which has a rear, downstream (right) side 22a and a rotational axis-closer or upstream (right) front side 21a, which are connected to one another by a first, pressure-side (right) end 23a and a second, suction-side (right) end 24a of the opening 25.
  • the second, suction-side (right) end 24 of the first groove has an undercut 26, in particular the first groove, at least in sections, has a half-heart-shaped cross section.
  • fluid flowing in is circulated into the partial gap T between the end face 13 of the blade 10 of the guide vane and the wall 1 facing it, thereby preventing fluid from flowing in.
  • the front flank 21 and the rear flank 22 of the first groove rise with increasing distance from the axis of rotation D (to the right in FIG. 1) towards the blade-side opening 25 of this groove (upwards in FIG. 1) .
  • the rear flank 22 has a convex rounding 27 at the opening 25 on the blade side.
  • the blade-side opening 25 protrudes from the suction side 12 and pressure side 11 of the end face 13 of the blade 10 of the guide vane.
  • a minimum distance between the vane-side opening 25 and an upstream beginning of the end face 13 of the airfoil 10 of the guide vane is less than 25% of a minimum distance between this beginning and the trailing edge 14.
  • these features allow the vane to move in or out of the groove between the end face 13 of the blade 10 and the wall 1 facing it, as indicated by a flow arrow outflowing fluid is deflected towards the rear edge 14 and a corresponding (axial) pulse is thereby advantageously impressed on it.
  • FIG. 4 shows, in a representation corresponding to FIG. 2, a guide vane arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • the grooves of the embodiment of FIG. 4 are inclined with respect to the axis of rotation of the turbo machine (horizontally in FIGS. 1, 2, 4), so that the first (right) end 23a of the blade-side opening 25 of the grooves in each case is further spaced from the axis of rotation than the second, suction-side (right) end 24a.
  • the undercut 26 or the half-heart-shaped cross-section cf. FIG. 3
  • the rising front flank 21 the rising rear flank 22, its convex rounding 27
  • the individual groove of the embodiment of FIGS. 1-3 can also be inclined as shown in FIG. As indicated by dashed lines in FIG. 1, the second wall 2 can additionally or alternatively also have corresponding grooves.
  • Another aspect of the invention relates to an adjustable guide vane blade which is arranged on a gas duct wall so that it can rotate about an axis of rotation and which radially delimits the gas duct in relation to the longitudinal axis of the turbomachine.
  • the axis of rotation is arranged in a front section thereof (it penetrates the guide blade).
  • this top surface of the guide vane blade faces radially outwards (outer gas duct wall) or radially inwards (inner gas duct wall).
  • the present further aspect of the invention is based on the technical problem of specifying an advantageous guide vane arrangement with an adjustable guide vane blade.
  • guide vane blade is structured on the top surface delimiting the gap in order to at least reduce a gap flow driven by a pressure gradient during operation.
  • the structuring creates an aerodynamic seal that counteracts any flow through the gap.
  • Aerodynamic seal in the top surface and thus in the guide vane blade can also be advantageous insofar as the seal remains in position when the guide vane blade is adjusted, that is to say moves along with it.
  • the gap width? change, but the seal remains at the gap.
  • the structured cover surface can increase the potential of casing structuring (casing structuring for stabilizing rotors can be limited, for example, by the increase in radial flow redistribution, whose negative influence can be counteracted by the present approach).
  • the top surface is structured with a groove which, viewed in a section perpendicular to the airfoil chord, forms an indentation.
  • this indentation extends radially inward, in the case of the inner top surface it extends radially outward.
  • the airfoil chord is based on a tangential section that lies radially at the level of the top surface.
  • the indentation viewed in section, can have a polygonal, that is, multi-sided profile, particularly preferably a rectangular profile.
  • a geometrically comparatively simple structuring can, for. B. be advantageous in terms of manufacturability, namely, for example. Simplify a machining introduction of the groove.
  • the groove has an asymmetrical profile, namely, when viewed in section, the indentation has a steep and a flat flank.
  • the steep flank follows the flat flank. The splitting fluid can easily enter the indentation along the flat flank flow in, the steep flank then causes a reversal of direction and thus turbulence, thus creating the blockage or aerodynamic seal in the gap.
  • the flat flank preferably forms an acute angle with the flow path; this angle is taken as the clearance angle, i.e. away from the flank through the indentation to the flow path (not through the material).
  • the angle that the steep flank forms with the flow path is always larger; in a preferred embodiment it is an obtuse angle (again taken as the clearance angle away from the flank through the indentation).
  • the steep flank thus forms an undercut in relation to the radial direction, which can further promote the blockage or turbulence of the gap fluid.
  • the indentation can thus have a half-heart-shaped profile.
  • the indentation extends into the pressure side surface of the guide vane blade.
  • the outer edge (outer cover surface) or inner edge (inner cover surface) of the pressure side surface is slightly raised compared to the corresponding edge of the suction side surface, so it was slightly larger from the respective gas duct wall. Viewed in isolation, this can increase an inflow on the pressure side, but improve the aerodynamic seal due to the resulting turbulence and thus blockage.
  • a correspondingly raised pressure side surface can also be combined with a polygonal or rectangular groove, but preferably relates to an indentation with a steep and flat flank, the latter extending into the pressure side surface.
  • the minimum gap width does not increase; it remains in any case in the suction side surface, sometimes also in the gap itself.
  • the structuring is preferably provided or advantageous to the extent that the minimum gap width can be maintained in comparison to a cover surface without structuring.
  • the structuring is only provided in one area of the gap, for example in the form of the groove. So far, reference has primarily been made to the profile of the groove in section, namely the indentation.
  • the groove runs along the airfoil chord, i.e. it follows the curvature in the rear section along the chord.
  • the groove preferably extends over at least 60%, 70% or 80% of the gap length; it can also extend over the entire gap (100%), but upper limits can also be, for example, 95% or 90%.
  • the top surface is structured with a honeycomb structure.
  • This honeycomb structure can be seen in a radial view, from the outside (outer cover surface) or from the inside (inner cover surface).
  • the honeycomb structure is open towards the gap, so it forms a large number of cavities that are each open towards the gap. In relation to the flow path, these are preferably separated by partition walls; these can be arranged, for example, in the form of a honeycomb pattern (viewed radially).
  • at least the guide vane blade is a generatively manufactured component which is or will be built up in layers from a previously shapeless or neutral material, for example in a powder bed process.
  • the invention also relates to a corresponding manufacturing method.
  • generative production comparatively complex geometries are also possible, so that the structures described here can be easily integrated into the guide vane blade.
  • the guide vane blade can also be produced first and then the structuring can be introduced, for example by machining (the guide vane blade can then also be cast, for example).
  • an attachment section with the structuring can also be produced as a separate part, e.g. B. generatively, and the attachment section can then be attached to the guide vane previously produced for itself.
  • the further aspect of the invention also relates to a compressor module with a presently disclosed guide vane arrangement, and it also relates to an aircraft engine with such a compressor module.
  • 5 shows a turbofan engine in a schematic section
  • 6 shows a guide vane arrangement with an adjustable guide vane on egg nem turntable in an oblique view
  • FIG. 8 shows a tangential section through the guide vane according to FIG. 3 to illustrate a gap flow
  • Fig. 11 shows a third possibility for structuring the top surface of the guide vane blade
  • Fig. 12 shows a fourth possibility for structuring the top surface of the Leitschau felblatts.
  • FIG. 5 shows a flow machine 1 in section, specifically a jet engine (one telstromtriebwerk).
  • the flow machine 1 is functionally divided into compressor la, combustion chamber lb and turbine lc.
  • Both the compressor la and the turbine Ic are each made up of several modules, the compressor la in the present case from a low-pressure laa and a high-pressure compressor lab.
  • Each compressor laa, lab is in turn made up of several stages; each stage is usually made up of a blade ring and a guide blade ring together.
  • the compressor la is axially flowed through the compressor la, based on a longitudinal axis 2, by the compressor gas 3, in this case air, in a compressor gas duct 4.
  • the compressor gas 3 is compressed, kerosene is then mixed in the combustion chamber Ib and this mixture is burned .
  • FIG. 6 shows a guide vane arrangement 20 with a guide vane 21 which is arranged on a gas duct wall 22.
  • the guide vane 21 is mounted rotatably about an axis of rotation 23; it is seated on a rotary plate 24 which is inserted into a recess 25 in the gas duct wall 22.
  • the axis of rotation 23 is arranged in an axially front section 30 of the guide vane blade 21, which sits on the turntable 24.
  • An axially rear section 31 protrudes to the rear, and there is a gap 33 between the gas duct wall 22 and the corresponding top surface 32 of the guide vane blade 21.
  • the guide vane blade 21 is rotatably mounted on both the radially inner gas duct wall 22.1 and the radially outer gas duct wall 22.2, so there is a gap 33.1 radially inside and a gap 33.2 radially outside.
  • the present subject matter can relate to both the radially inner top surface 32.1 and the radially outer top surface 32.2.
  • FIG. 8 which shows the guide vane blade 21 in a tangential section
  • a gap flow 37 through the gap 33 arises due to the pressure gradient between the suction side surface 35 and the pressure side surface 36 of the guide vane blade 21.
  • a partial split vortex and a blockage area 39 can form, which can result in high losses and incorrect flow.
  • the top surface 32 of the guide vane blade is structured, namely, in the variants according to FIGS. 5-7, each with one extending along the
  • Blade chord extending groove 50 is provided. When viewed in section, this forms an indentation 51 into which the gap flow 37 enters, which leads to the turbulence indicated schematically. An aerodynamic seal is created, the underflow or overflow can at least be reduced.
  • the indentation 51 has a rectangular profile and can be introduced comparatively easily by machining.
  • the groove 50 or indentation 51 has an asymmetrical profile, namely a flat flank 60 and a steep flank 62 Flank 62, on the other hand, forms an obtuse angle 63.
  • the gap fluid can flow well into the indentation 51 along the flat flank 60; the steep flank 62 imposes a directional component opposite to the flow path 65 on it.
  • the indentation is formed by a flat flank 60 and a steep flank 62.
  • the indentation 51 extends into the pressure side surface 36, that is to say it opens towards this side.
  • a distance 70 between an edge 36.1 of the pressure side surface 36 and the gas channel wall 22 is greater than the distance 71 between the edge 35.1 of the suction side surface 35 and the gas channel wall 22.
  • the gap fluid can flow in well, is swirled and creates the flow blockage.
  • a honeycomb structure 80 forms the structuring of the top surface 32.
  • the cavities 81 can follow a honeycomb pattern, for example.
  • Gas channel wall 22 inner gas channel wall 22.1 outer gas channel wall 22.2
  • Top surface 32 inner top surface 32.1 outer top surface 32.2

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufelanordnung für eine Turbomaschine, insbesondere eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, mit wenigstens einer um eine Drehachse (D) verstellbaren Leitschaulel, deren Schaufelblatt (10) zwischen einer ersten Wandung (1) und einer zweiten Wandung (2) angeordnet ist und eine Druckseite (11) und eine in einer Umfangsrichtung darauffolgende Saugseite (12) aufweist, wobei wenigstens eine dieser Wandungen eine dieser Leitschaufel zugeordnete erste Nut aufweist, die eine hintere Flanke (22) und eine drehachsnähere vordere Flanke (21) aufweist, welche durch ein erstes Ende (23) und ein in der Umfangsrichtung darauffolgendes zweites Ende (24) der ersten Nut miteinander verbunden sind, und wobei in wenigstens einer Stellung der Leitschaufel, insbesondere über wenigstens ein Viertel eines Verstellbereichs der Leitschaufel und/oder im Auslegungsbetriebspunkt, eine schaufelseitige Öffnung (25) der ersten Nut und eine Projektion einer dieser Wandung zugewandten und von ihr beabstandeten Stirnseite (13) des Schaufelblattes der Leitschaufel in Richtung der Drehachse auf diese Wandung einander wenigstens teilweise überdecken.

Description

Turbomaschinen-Leitschaufelanordnung
Teil I
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufelanordnung für eine Turboma- schine, insbesondere eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, mit we- nigstens einer um eine Drehachse verstellbaren Leitschaufel, sowie eine Turboma- schine, insbesondere Gasturbine, mit der Leitschaufelanordnung und ein Verfahren zum Betreiben der Leitschaufelanordnung bzw. Turbomaschine.
Bei um ihre Drehachsen verstellbaren Leitschaufeln ist in der Regel in wenigstens einer Stellung ein Teilspalt zwischen einer Wandung und einer dieser zugewandten und von ihr beabstandeten Stirnseite des Schaufelblattes der Leitschaufel vorhanden. Häufig weist dieser Teilspalt, insbesondere aus thermodynamischen und Fertigungsgründen, selbst in einer Nominalstellung bzw. einem Auslegungsbetriebspunkt noch eine Mindestspalthöhe auf und/oder vergrößert sich mit zunehmender Verstellung.
Aufgrund des Druckgradienten zwischen Druck- und Saugseite der Leitschaufel kann es, insbesondere bei zunehmender Androsselung eines Verdichters, zu einer uner wünschten Teilspaltströmung von der Druck- zu der Saugseite durch den Teilspalt kommen, die, insbesondere durch Mischverluste, Strömungsumverteilung und/oder -zögerung, insbesondere lokale Blockagen, und/oder Verwirbelungen, insbesondere Eckwirbel, die Performance, insbesondere den Wirkungsgrad und/oder die aerody- namische Stabilität, der Turbomaschine beeinträchtigen kann.
Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb einer Turbomaschine zu verbessern, vorzugsweise wenigstens einen der oben genannten Nachteile zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Leitschaufelanordnung mit den Merkmalen des An- spruchs 1 gelöst. Ansprüche 10, 1 1 stellen eine Turbomaschine mit wenigstens einer
Bestätigungskopie hier beschriebenen Leitschaufelanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer hier beschriebenen Leitschaufelanordnung, insbesondere Turbomaschine, unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unter ansprüche. Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist eine Leitschaufelanord nung für eine, insbesondere einer, Turbomaschine, insbesondere eine(r) Verdichteroder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, eine oder mehrere (jeweils) um eine Drehachse verstellbare, insbesondere verdrehbare, Leit schaufeln auf, deren Schaufelblatt bzw. Schaufelblätter zwischen einer ersten Wan- düng und einer zweiten Wandung angeordnet ist bzw. sind und (jeweils) eine Druck seite und eine in einer Umfangsrichtung, insbesondere um eine Rotations- bzw. (Elaupt)Maschinenachse der Turbomaschine, darauffolgende Saugseite aufweist bzw. aufweisen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist wenigstens eine dieser Wandungen, in einer Ausführung die radial innere bzw. nabenseitige Wandung und/oder die radial äußere bzw. gehäuseseitige Wandung (jeweils), eine der Leitschaufel bzw. einer der Leitschaufeln zugeordnete erste Nut auf, die eine hintere bzw. stromabwärtige(re) und eine drehachsnähere bzw. stromaufwärtige(re) vordere (Nut)Flanke auf eist, welche durch ein erstes bzw. druckseitige(re)s und ein in die- ser Umfangsrichtung, in einer Ausführung in einer Längsrichtung der Nut, darauffolgendes zweites bzw. saugseitige(re)s Ende der ersten Nut miteinander verbunden sind, wobei in einer oder mehreren Stellungen dieser Leitschaufel, insbesondere über wenigstens ein Viertel, insbesondere die Hälfte, eines (maximalen) Verstellbereichs, insbesondere über den kompletten bzw. maximalen Verstellbereich, der Leitschaufel, und/oder im Auslegungsbetriebspunkt bzw. einer Nominalstellung, eine schaufelsei tige Öffnung der ersten Nut (in der Wandung) und eine Projektion einer dieser Wan dung zugewandten und von ihr beabstandeten Stirnseite des Schaufelblattes dieser Leitschaufel in Richtung der Drehachse auf diese Wandung einander wenigstens teilweise überdecken ln einer Ausführung überlappen Stirnseite und Nut(öffnung) einander somit wenigstens teilweise. Hierdurch kann in einer Ausführung eine Teilspaltströmung von der Druck- zu der Saugseite der Leitschaufel durch den Teilspalt zwischen der Wandung und der ihr zugewandten und von ihr beabstandeten Stirnseite des Schaufelblattes der Leitschaufel vorteilhaft reduziert und/oder umgelenkt und so, insbesondere durch Reduzierung von Strömungsumverteilungen und/oder -Zögerungen, insbesondere lokalen Blocka- gen, Mischverlusten und/oder Verwirbelungen, insbesondere Eckwirbeln, die Performance, insbesondere der Wirkungsgrad und/oder die aerodynamische Stabilität, der Turbomaschine verbessert werden.
In einer Ausführung sind einer oder mehreren der Leitschaufeln der Leitschaufelan- Ordnung jeweils eine der hier beschriebenen ersten Nuten in der radial innere Wan dung und/oder eine der hier beschriebenen ersten Nuten in der radial äußeren Wan dung zugeordnet, die (jeweils) eine hintere bzw. stromabwärtige(re) und eine dreh- achsnähere bzw. stromabwärtige(re) vordere Flanke aufweisen, welche (jeweils) durch ein erstes bzw. druckseitige(re)s und ein in der Umfangsrichtung, in einer Aus- Führung in der Längsrichtung der Nut, darauffolgendes zweites bzw. saugseitige(re)s Ende dieser ersten Nut miteinander verbunden sind, wobei in der bzw. den Stellun gen der jeweiligen Leitschaufel, insbesondere über wenigstens ein Viertel, insbeson dere die Hälfte, eines (maximalen) Verstellbereichs, insbesondere den kompletten bzw. maximalen Verstellbereich, und/oder im Auslegungsbetriebspunkt bzw. einer Nominalstellung, eine Projektion einer dieser Wandung zugewandten und von ihr beabstandeten Stirnseite des Schaufelblattes der jeweiligen Leitschaufel in Richtung der jeweiligen Drehachse auf diese Wandung und eine schaufelseitige Öffnung der dieser Leitschaufel zugeordneten ersten Nut (in) der radial inneren bzw. äußeren Wandung einander wenigstens teilweise überdecken. Hierdurch kann in einer Ausführung der hier beschriebene Vorteil für die entspre chenden Leitschaufeln bzw. an ihren radial inneren und/oder äußeren Teilspalten rea lisiert und so die Performance, insbesondere der Wirkungsgrad und/oder die aerody namische Stabilität, der Turbomaschine verbessert werden.
In einer Ausführung weist die radial innere Wandung und/oder die radial äußere Wandung für die Leitschaufel bzw. eine oder mehrere der Leitschaufeln (jeweils) ei- ne oder mehrere weitere der (jeweiligen) Leitschaufel zugeordnete und von der dieser Leitschaufel zugeordneten ersten Nut beabstandete, weitere Nuten auf, die (jeweils) eine hintere bzw. stromabwärtige(re) und eine drehachsnähere bzw. stromab- wärtige(re) vordere Flanke aufweisen, die (jeweils) durch ein erstes und ein in der Umfangsrichtung, in einer Ausführung in einer Längsrichtung der Nut, darauffolgen des zweites Ende dieser weiteren Nut miteinander verbunden sind, wobei in der bzw. den Stellungen der jeweiligen Leitschaufel, insbesondere über wenigstens ein Viertel, insbesondere die Hälfte, eines (maximalen) Verstellbereichs, insbesondere den kompletten bzw. maximalen Verstellbereich, und/oder im Auslegungsbetriebspunkt bzw. einer Nominalstellung, eine Projektion der dieser Wandung zugewandten und von ihr beabstandeten Stirnseite des Schaufelblattes der jeweiligen Leitschaufel in Richtung der jeweiligen Drehachse auf diese Wandung und eine schaufelseitige Öff nung der dieser Leitschaufel zugeordneten weiteren Nut (in) der radial inneren bzw. äußeren Wandung einander (jeweils) wenigstens teilweise überdecken. In einer Aus- führung sind die erste und weitere(n) einer Leitschaufel zugeordnete(n) Nut(en) in Durchströmungsrichtung bzw. in Richtung einer Rotations- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Turbomaschine voneinander beabstandet, insbesondere gegeneinander versetzt und/oder hintereinander angeordnet.
Durch eine solche (AufjReihung von Nuten kann in einer Ausführung die Teilspalt- Strömung besonders vorteilhaft reduziert und/oder umgelenkt und so, insbesondere durch Reduzierung von Strömungsumverteilungen und/oder -Zögerungen, insbeson dere lokalen Blockagen, Mischverlusten und/oder Verwirbelungen, insbesondere Eckwirbeln, die Performance, insbesondere der Wirkungsgrad und/oder die aerodynamische Stabilität, der Turbomaschine besonders vorteilhaft verbessert werden. In einer Ausführung werden bzw. sind die erste(n) und/oder weitere(n) Nut(en) der art, insbesondere mit der Maßgabe, ausgebildet, insbesondere ausgelegt bzw. konfiguriert, dass ein Einströmen von (Arbeits)Fluid in den Teilspalt zwischen der Stirnseite der (jeweiligen) Leitschaufel und der ihr zugewandten Wandung in einem oder mehreren Betriebspunkten, insbesondere dem Auslegungsbetriebspunkt bzw. der Nominalstellung der Leitschaufel, behindert, in einer Ausführung blockiert, und/oder aus dem Teilspalt und/oder der Nut, ausströmendes Fluid zu einer Hinterkante der (jeweiligen) Leitschaufel hin umgelenkt wird.
Insbesondere hierzu weist in einer Ausführung das zweite bzw. saugseitige(re) Ende der bzw. einer oder mehrerer der ersten Nut(en) und/oder der bzw. einer oder mehre rer der weiteren Nut(en jeweils) wenigstens eine Hinterschneidung auf. In einer Weiterbildung weisen die bzw. eine oder mehrere der ersten Nut(en) und/oder die bzw. eine oder mehrere der weiteren Nut(en jeweils) wenigstens abschnittsweise einen halbherzartigen Querschnitt auf, insbesondere entlang wenigstens eines Abschnitts ihrer Längsrichtung bzw. -achse und/oder in einem Schnitt senkrecht zu ihrer Längs richtung bzw. -achse.
Hierdurch wird in einer Ausführung eine (Rück)Zirkulation einströmenden Fluids bewirkt, die die Teilspaltströmung besonders vorteilhaft reduziert und/oder umlenkt und so, insbesondere durch Reduzierung von Strömungsumverteilungen und/oder -Zögerungen, insbesondere lokalen Blockagen, Mischverlusten und/oder Verwirbe lungen, insbesondere Eckwirbeln, die Performance, insbesondere der Wirkungsgrad und/oder die aerodynamische Stabilität, der Turbomaschine besonders vorteilhaft verbessert.
Zusätzlich oder alternativ steigen in einer Ausführung die hintere Flanke und/oder die drehachsnähere vordere Flanke der bzw. einer oder mehrere der ersten Nut(en) und/oder der bzw. einer oder mehrere der weiteren Nut(en jeweils) wenigstens abschnittsweise mit zunehmendem Abstand zur Drehachse (der Leitschaufel, der diese Nut zugeordnet ist) zur schaufelseitigen Öffnung dieser Nut hin an, in einer Ausfüh rung wenigstens abschnittsweise monoton, insbesondere linear.
Durch eine entsprechende drehachsnähere vordere Flanke wird in einer Ausführung einströmendes Fluid vorteilhaft abgebremst und so die Teilspaltströmung besonders vorteilhaft reduziert und/oder umlenkt und so, insbesondere durch Reduzierung von Strömungsumverteilungen und/oder -Zögerungen, insbesondere lokalen Blockagen, Mischverlusten und/oder Verwirbelungen, insbesondere Eckwirbeln, die Perfor- mance, insbesondere der Wirkungsgrad und/oder die aerodynamische Stabilität, der Turbomaschine besonders vorteilhaft verbessert.
Durch eine entsprechende hintere Flanke wird in einer Ausführung aus der Nut bzw. dem Teilspalt ausströmendes Fluid vorteilhaft zur Hinterkante der (jeweiligen) Leit- schaufei hin bzw. in Richtung der Rotations- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Tur bomaschine umgelenkt bzw. ein entsprechender (Axial)Impuls aufgeprägt. Hierdurch, insbesondere durch eine dadurch bewirkte Reduzierung von Strömungsumver teilungen und/oder -Zögerungen, insbesondere lokalen Blockagen, Mischverlusten und/oder Verwirbelungen, insbesondere Eckwirbeln, kann die Performance, insbe- sondere der Wirkungsgrad und/oder die aerodynamische Stabilität, der Turboma schine besonders vorteilhaft verbessert werden.
Zusätzlich oder alternativ ist in einer Ausführung die hintere Flanke der bzw. einer oder mehreren der ersten Nut(en) und/oder der bzw. einer oder mehreren der weite ren Nut(en jeweils) an der schaufelseitigen Öffnung dieser Nut konvex, in einer Wei- terbildung weist sie an der schaufelseitigen Öffnung eine (Ab)Rundung auf.
Hierdurch kann in einer Ausführung aus der Nut ausströmendes Fluid besonders vor teilhaft umgelenkt, insbesondere ein entsprechender (Axial)lmpuls besonders vorteilhaft aufgeprägt werden. Hierdurch, insbesondere durch eine dadurch bewirkte Reduzierung von Strömungsumverteilungen und/oder -Zögerungen, insbesondere lo- kalen Blockagen, Mischverlusten und/oder Verwirbelungen, insbesondere Eckwirbeln, kann die Performance, insbesondere der Wirkungsgrad und/oder die aerodyna mische Stabilität, der Turbomaschine besonders vorteilhaft verbessert werden.
Zusätzlich oder alternativ ist in einer Ausführung ein erstes bzw. druckseitige(re)s Ende der schaufelseitigen Öffnung der bzw. einer oder mehrerer der ersten Nut(en) und/oder der bzw. einer oder mehrerer der weiteren Nut(en jeweils) mindestens so weit von der Drehachse der Leitschaufel, der diese Nut zugeordnet ist, beabstandet wie ein in der Umfangsrichtung, in einer Ausführung in der Längsrichtung der Nut, darauffolgendes zweites bzw. saugseitige(re)s Ende der schaufelseitigen Öffnung dieser Nut, insbesondere weiter als das zweite bzw. saugseitige(re) Ende. Zusätzlich oder alternativ ist in einer Ausführung das erste bzw. druckseitige(re) Ende der bzw. einer oder mehrerer der ersten Nut(en) und/oder der bzw. einer oder mehrerer der weiteren Nut(en jeweils) mindestens so weit von der Drehachse der Leitschaufel, der diese Nut zugeordnet ist, beabstandet wie das in der Umfangsrichtung, in einer Aus führung in der Längsrichtung der Nut, darauffolgende zweite bzw. saugseitige(re) Ende dieser Nut, insbesondere weiter als das zweite bzw. saugseitige(re) Ende, bzw. das zweite bzw. saugseitige(re) Ende nicht weiter von der Drehachse beabstandet als das erste bzw. druckseitige(re) Ende. In einer Ausführung ist die Nut eine gegen die Rotations- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Turbomaschine geneigte Diagonalnut, in einer anderen Ausführung eine zur Rotations- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Turbomaschine senkrechte (Quer)Nut.
Elierdurch kann in einer Ausführung einströmendes Fluid besonders vorteilhaft umgelenkt und so, insbesondere durch Reduzierung von Strömungsumverteilungen und/oder -Zögerungen, insbesondere lokalen Blockagen, Mischverlusten und/oder Verwirbelungen, insbesondere Eckwirbeln, die Performance, insbesondere der Wir kungsgrad und/oder die aerodynamische Stabilität, der Turbomaschine besonders vorteilhaft verbessert werden.
Zusätzlich oder alternativ steht in der bzw. den Stellungen der bzw. einer oder meh rerer der Leitschaufel(n), insbesondere über wenigstens ein Viertel, insbesondere die Hälfte, eines (maximalen) Verstellbereichs, insbesondere den kompletten bzw. maximalen Verstellbereich, und/oder im Auslegungsbetriebspunkt bzw. einer Nominal stellung, die schaufelseitige Öffnung der bzw. einer oder mehrerer der ersten Nut(en) und/oder der bzw. einer oder mehrerer der weiteren Nut(en jeweils) gegenüber der Saug- und/oder Druckseite der ihr zugewandten Stirnseite des Schaufelblattes der (jeweiligen) Leitschaufel hervor, der diese Nut zugeordnet ist.
Durch einen Überstand auf der Druckseite kann in einer Ausführung Fluid vor bzw. beim Einströmen in den Teilspalt besonders vorteilhaft abgesaugt werden, durch einen Überstand auf der Saugseite in einer Ausführung Fluid aus der Nut besonders vorteilhaft abgeführt werden. Hierdurch kann in einer Ausführung die Teilspaltströ mung besonders vorteilhaft reduziert und/oder umgelenkt und so, insbesondere durch Reduzierung von Strömungsumverteilungen und/oder -Zögerungen, insbesondere lo kalen Blockagen, Mischverlusten und/oder Verwirbelungen, insbesondere Eckwir beln, die Performance, insbesondere der Wirkungsgrad und/oder die aerodynamische Stabilität, der Turbomaschine verbessert werden. Zusätzlich oder alternativ beträgt in einer Ausführung in der bzw. den Stellungen der bzw. einer oder mehrerer der Leitschaufel(n), insbesondere über wenigstens ein Vier tel, insbesondere die Hälfte, eines (maximalen) Verstellbereichs, insbesondere den kompletten bzw. maximalen Verstellbereich, und/oder im Auslegungsbetriebspunkt bzw. einer Nominalstellung, ein minimaler Abstand zwischen der schaufelseitigen Öffnung der bzw. einer oder mehrerer der ersten Nut(en) und einem stromaufwärti- gen Anfang der dieser Nut zugewandten Stirnseite des Schaufelblattes der Leitschau fel, der diese Nut zugeordnet ist, (jeweils) höchstens 25% eines minimalen Abstands zwischen diesem stromaufwärtigen Anfang der Stirnseite und einer Hinterkante die ser Stirnseite. Hierdurch kann in einer Ausführung Fluid in der Nähe des Teilspaltbeginns aus der Nut strömen. Dadurch kann in einer Ausführung die Teilspaltströmung besonders vorteilhaft umgelenkt und so, insbesondere durch Reduzierung von Strömungsum verteilungen und/oder -Zögerungen, insbesondere lokalen Blockagen, Mischverlusten und/oder Verwirbelungen, insbesondere Eckwirbeln, die Performance, insbesondere der Wirkungsgrad und/oder die aerodynamische Stabilität, der Turbomaschine ver bessert werden.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden zum bzw. beim Betrei ben einer hier beschriebenen Leitschaufelanordnung bzw. Turbomaschine die bzw. eine oder mehrere der Leitschaufel(n), in einer Ausführung synchron und/oder moto- risch, um ihre Drehachse in eine Stellung verstellt, in der die schaufelseitige Öffnung der dieser Leitschaufel zugeordneten ersten und/oder weiteren Nut(en) der radial in neren und/oder äußeren Wandung und die Projektion der diesen zugewandten Stirn seite^) des Schaufelblattes der Leitschaufel in Richtung ihrer Drehachse auf diese Wandung einander wenigstens teilweise überdecken, in einer Ausführung nachei- nander in wenigstens zwei solche Stellungen, insbesondere über wenigstens ein Viertel eines Verstellbereichs der Leitschaufel(n).
In einer Ausführung ist die der ersten Wandung zugwandte Stirnseite und/oder die der zweiten Wandung zugwandte Stirnseite des Schaufelblattes der bzw. einer oder mehrerer der Leitschaufel(n) in einer oder mehreren Stellungen, insbesondere über wenigstens ein Viertel, insbesondere die Hälfte, eines (maximalen) Verstellbereichs, insbesondere über den kompletten bzw. maximalen Verstellbereich, und/oder im Auslegungsbetriebspunkt bzw. einer Nominalstellung, dieser Leitschaufel (jeweils) in der Umfangsrichtung zwischen dem ersten und zweiten Ende der ersten und/oder weiteren dieser Leitschaufel zugeordneten Nut(en) bzw. ihrer schaufelseitigen Öffnungen) in dieser Wandung angeordnet.
„Radial innen/außen“ bezieht sich in einer Ausführung auf eine Radialrichtung senk recht zur Rotations- bzw. (Haupt)Maschinenachse der Turbomaschine und einer Ro tationsrichtung um diese. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführun gen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 eine Leitschaufelanordnung einer Turbomaschine nach einer Ausfüh rung der vorliegenden Erfindung in einem Meridianschnitt; Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie Il-II in Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 111-111 in Fig. 1; und
Fig. 4 eine Leitschaufelanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 2 entsprechender Darstellung.
Fig. 1 - 3 zeigen eine Leitschaufelanordnung einer Turbomaschine nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Meridianschnitt (Fig. I), einem Schnitt senkrecht zu einer Drehachse D (Fig. 2) und einem zu diesen beiden Schnitten senk rechten Schnitt (Fig. 3).
Die Leitschaufelanordnung weist mehrere Leitschaufeln auf, von denen in Fig. 1 - 3 eine dargestellt ist.
Die Leitschaufel wird um die Drehachse D verstellt bzw. ist hierzu eingerichtet.
Ihr Schaufelblatt 10 weist eine Druckseite 1 1 und eine Saugseite 12 auf und ist zwi schen einer ersten, radial inneren bzw. nabenseitigen Wandung 1 und einer zweiten, radial äußeren bzw. gehäuseseitigen Wandung 2 angeordnet.
Die erste Wandung 1 weist eine dieser Leitschaufel zugeordnete erste Nut auf, die eine hintere, stromabwärtige(re) Flanke 22 und eine drehachsnähere bzw. stromauf- wärtige(re) vordere Flanke 21, welche durch ein erstes, druckseitige(re)s Ende 23 und ein zweites, saugseitige(re)s Ende 24 miteinander verbunden sind, und eine schaufelseitige Öffnung 25 aufweist, die entsprechend eine hintere, stromabwärti- ge(re) Seite 22a und eine drehachsnähere bzw. stromaufwärtige(re) vordere Seite 21a aufweist, welche durch ein erstes, druckseitige(re)s Ende 23a und ein zweites, saug- seitige(re)s Ende 24a der Öffnung 25 miteinander verbunden sind.
Die schaufelseitige Öffnung 25 der ersten Nut und eine in Fig. 2 gestrichelt angedeu tete Projektion der dieser ersten Wandung 1 zugewandten und von ihr beabstandeten Stirnseite 13 des Schaufelblattes 10 der Leitschaufel in Richtung der Drehachse D auf diese Wandung 1 (nach unten in Fig. 1) überdecken einander über den Verstellbereich der Leitschaufel, insbesondere in ihrer in Fig. 1 - 3 gezeigten Nominalstel lung, teilweise.
Wie in Fig. 3 erkennbar, weist das zweite, saugseitige(re) Ende 24 der ersten Nut ei ne Hinterschneidung 26, insbesondere die erste Nut wenigstens abschnittsweise einen halbherzartigen Querschnitt, auf. Hierdurch wird, wie in Fig. 3 durch Strömungspfeile angedeutet, in den Teilspalt T zwischen der Stirnseite 13 des Schaufelblattes 10 der Leitschaufel und der ihr zugewandten Wandung 1 einströmendes Fluid zirkuliert und dadurch ein Einströmen von Fluid behindert. Wie in Fig. 1 erkennbar, steigen die vordere Flanke 21 und die hintere Flanke 22 der ersten Nut mit zunehmendem Abstand zur Drehachse D (nach rechts in Fig. 1) zur schaufelseitigen Öffnung 25 dieser Nut hin (nach oben in Fig. 1) an. Außerdem weist die hintere Flanke 22 an der schaufelseitigen Öffnung 25 eine konvexe Abrundung 27 auf. Zudem steht, wie in Fig. 2 erkennbar, die schaufelseitige Öffnung 25 gegenüber der Saugseite 12 und Druckseite 11 der Stirnseite 13 des Schaufelblattes 10 der Leit schaufel hervor.
Ein minimaler Abstand zwischen der schaufelseitigen Öffnung 25 und einem strom- auftvärtigen Anfang der Stirnseite 13 des Schaufelblattes 10 der Leitschaufel beträgt weniger als 25% eines minimalen Abstands zwischen diesem Anfang und der Hin terkante 14.
Durch diese Merkmale, insbesondere ihre Kombination, wird, wie in Fig. 2 durch einen Strömungspfeil angedeutet, in den Teilspalt T zwischen der Stirnseite 13 des Schaufelblattes 10 der Leitschaufel und der ihr zugewandten Wandung 1 ein- bzw. hieraus bzw. aus der Nut wieder ausströmendes Fluid zur Hinterkante 14 hin umgelenkt und dieser dadurch vorteilhaft ein entsprechender (Axial)lmpuls aufgeprägt.
Gleichwohl können eines oder mehrere dieser Merkmale, insbesondere also die Hinterschneidung 26 bzw. der halbherzartige Querschnitt (vgl. Fig. 3), die ansteigende vordere Flanke 21, die ansteigende hintere Flanke 22, deren konvexe Abrundung 27 (vgl. Fig. I) und/oder das Hervorstehen der schaufelseitigen Öffnung 25 gegenüber der Saug- und Druckseite 12, 1 1 (vgl. Fig. 2) auch entfallen, da bereits durch die Nut als solches und insbesondere jedes dieser Merkmale für sich eine Teilspaltströmung behindert und/oder umgelenkt und so die Performance verbessert werden kann. Fig. 4 zeigt in Fig. 2 entsprechender Darstellung eine Leitschaufelanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Einander entsprechende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen identifiziert, so dass auf die vorstehende Be schreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der Fig. 4 sind zusätzlich zu der ersten Nut der Ausführung der Fig. 1 - 3 weitere, von der ersten Nut und voneinander beabstandete, Nuten vorgesehen, wobei die schaufelseitigen Öffnungen 25 dieser baugleichen Nuten und die wie derum gestrichelt angedeutete Projektion der Stirnseite 13 einander wenigstens teil- weise überdecken.
Zudem sind die Nuten der Ausführung der Fig. 4 gegen die Rotationsachse der Tur- bomaschine (horizontal in Fig. I , 2, 4) geneigt, so dass jeweils das erste, druckseiti- ge(re) Ende 23a der schaufelseitigen Öffnung 25 der Nuten weiter von der Drehachse beabstandet ist als das zweite, saugseitige(re) Ende 24a. Auch bei der Ausführung der Fig. 4 können eines oder mehrere der mit Bezug auf Fig. 1- 3 erläuterten Merkmale, insbesondere also die Hinterschneidung 26 bzw. der halbherzartige Querschnitt (vgl. Fig. 3), die ansteigende vordere Flanke 21, die an steigende hintere Flanke 22, deren konvexe Abrundung 27 (vgl. Fig. I) und/oder das Hervorstehen der schaufelseitigen Öffnung 25 gegenüber der Saug- und Druckseite 12, 11 (vgl. Fig. 2) entfallen, da bereits durch die Nuten als solche und insbesondere jedes dieser Merkmale für sich eine Teilspaltströmung behindert und/oder umgelenkt und so die Performance verbessert werden kann. Umgekehrt kann in einer Abwand lung auch die Einzelnut der Ausführung der Fig. 1- 3 wie in Fig. 4 gezeigt geneigt sein. Wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet, kann zusätzlich oder alternativ auch die zweite Wandung 2 entsprechende Nuten aufveisen.
Zu den übrigen, nicht dargestellten Leitschaufeln wird auf die vorhergehende Be schreibung Bezug genommen, da diese in einer Ausführung dieselbe Konfiguration, insbesondere die Wandungen entsprechende, diesen Leitschaufeln zugeordnete Nu ten, aufweisen.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei daraufhingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei daraufhingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführun gen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindes tens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbe- sondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezugszeichenliste der Fig. 1 bis 4 und der Ansprüche erste, radial innere Wandung
2 zweite, radial äußere Wandung
10 Schaufelblatt I 1 Druckseite 12 Saugseite
13 Wandung 1 zugewandte Stirnseite des Schaufelblattes
14 Hinterkante 21 vordere Flanke 21a vordere Öffnungsseite
22 hintere Flanke 22a hintere Öffnungsseite 23 erstes, druckseitige(re)s Nutende 23a erstes, druckseitige(re)s Öffnungsende 24 zweites, saugseitige(re)s Nutende
24a zweites, saugseitige(re)s Öffnungsende
25 schaufelseitige Öffnung
26 Hinterschneidung 27 Abrundung D Drehachse T Teilspalt
Teil II
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft.ein verstellbares Leitschaufelblatt, das um eine Drehachse drehbar an einer Gaskanalwand, die den Gaskanal bezogen auf die Längsachse der Strömungsmaschine radial begrenzt, angeordnet ist. Bezogen auf die Umströmung des Laufschaufelblatts ist die Drehachse in einem vorderen Abschnitt davon angeordnet (sie durchsetzt das Leitschaufelblatt) ln einem hinteren Abschnitt des Leitschaufelblatts, also in einem Bereich an dessen Hinterkante, gibt es einen Spalt zwischen der Gaskanalwand und einer Deckfläche des Leitschaufelblatts. Je nachdem, welcher Aufhängungspunkt betrachtet wird, ist diese Deckfläche des Leit schaufelblatts nach radial außen gewandt (äußere Gaskanalwand) oder nach radial innen (innere Gaskanalwand).
Darstellung des weiteren Aspekts der Erfindung Dem vorliegenden weiteren Aspekt der Erfindung liegt das technische Problem zu grunde, eine vorteilhafte Leitschaufelanordnung mit einem verstellbaren Leitschau felblatt anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit der Leitschaufelanordnung gemäß Anspruch 12 gelöst. Deren Leitschaufelblatt ist an der den Spalt begrenzenden Deckfläche struktu- riert, um eine im Betrieb durch einen Druckgradienten getriebene Spaltströmung zu mindest zu verringern. Mit der Strukturierung wird eine aerodynamische Dichtung geschaffen, die einer Durchströmung des Spalts entgegenwirkt.
Wenn das Leitschaufelblatt im Gaskanal umströmt wird, stellt sich zwischen Druck- und Saugseite ein Druckgradient ein. Infolgedessen kann sich durch den Spalt zwi- sehen der Deckfläche und der Gaskanalwand eine Spaltströmung ausbilden, die das Leitschaufelblatt in dem axial hinteren Abschnitt unter- bzw. überströmt. Diese Spaltströmung ist im Wesentlichen orthogonal zur Schaufelsehne des Leitschaufel blatts gerichtet, sodass sich saugseitig eine starke Wechselwirkung mit der Hauptströmung im Gaskanal ergeben kann. Es kann sich ein Spaltwirbel bzw. ein Blocka- gegebiet ausbilden. In Abhängigkeit vom Impulsverhältnis zwischen Haupt- und Spaltströmung kann der Wirbel vergleichsweise weit in die Leitschaufelpassage hineinreichen, was zu erhöhten Verlusten und einer zunehmenden Fehlanströmung der nachfolgenden Schaufelreihen führen kann. Mit der strukturierten Deckfläche kann der Durchströmung des Spalts und den negativen Folgen daraus entgegengewirkt werden, was bspw. die Leitschaufelabströmung und damit die aerodynamische Stabi lität verbessern kann.
Bevorzugte Ausfuhrungsformen dieses weiteren Aspekts der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstel lung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfah- rens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Of fenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe beziehen sich die Konkretisierungen stets sowohl auf die Leit schaufelanordnung als auch auf einen axialen Verdichter mit einer solchen Leitschaufelanordnung, sowie auf entsprechende Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekte.
aerodynamischen Dichtung in die Deckfläche und damit in das Leitschaufelblatt kann auch insoweit von Vorteil sein, als die Dichtung beim Verstellen des Leitschaufelblatts in Position bleibt, also mitwandert. Aus geometrischen Gründen kann sich dabei zwar die Spaltweit? ändern, die Dichtung verbleibt aber am Spalt. Dies schließt eine zusätzliche Gehäusestrukturierung, also der inneren und/oder äußeren Gaskanalwand nicht aus, im Gegenteil kann mit der strukturierten Deckfläche das Potenzial einer Gehäusestrukturierung gesteigert werden (eine Gehäusestrukturierung zur Sta bilisierung von Rotoren kann bspw. durch die Zunahme der radialen Strömungsumverteilung begrenzt sein, deren negativem Einfluss durch den vorliegenden Ansatz entgegengewirkt werden kann).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses weiteren Aspekts der Erfindung ist die Deckfläche mit einer Nut strukturiert, die in einem zur Schaufelblattsehne senkrechten Schnitt betrachtet eine Einbuchtung bildet. Diese Einbuchtung reicht im Falle der äußeren Deckfläche nach radial innen, im Falle der inneren Deckfläche nach radial außen. Die Schaufelblattsehne wird hierbei in einem Tangentialschnitt zugrunde gelegt, der radial auf Höhe der Deckfläche liegt. Wie im Ausführungsbei spiel schematisch dargestellt, wird in die Nut einströmendes Spaltfluid dort umge lenkt und verwirbelt, was dem Strömungspfad durch den Spalt entgegengesetzte Richtungsanteile und damit eine Blockage ergibt.
In bevorzugter Ausgestaltung dieses weiteren Aspekts der Erfindung kann die Einbuchtung im Schnitt betrachtet ein polygonförmiges, also mehrseitiges Profil haben, besonders bevorzugt ein rechteckförmiges Profil. Eine solche, geometrisch vergleichsweise einfache Strukturierung kann z. B. hinsichtlich der Herstellbarkeit von Vorteil sein, nämlich bspw. ein spanendes Einbringen der Nut vereinfachen.
Bei einer alternativ bevorzugten Ausfiihrungsform dieses weiteren Aspekts der Er findung hat die Nut ein asymmetrisches Profil, hat nämlich im Schnitt betrachtet die Einbuchtung eine steile und eine flache Flanke. Bezogen auf einen Strömungspfad in dem Spalt, der von der Saug- zur Druckseite verläuft, folgt dabei die steile auf die flache Flanke. Entlang der flachen Flanke kann das Spaltfluid gut in die Einbuchtung einströmen, die steile Flanke bewirkt dann eine Richtungsumkehr und damit Verwirbelung, schafft also die Blockage bzw. aerodynamische Dichtung im Spalt.
Im Schnitt betrachtet schließt dabei die flache Flanke mit dem Strömungspfad bevorzugt einen spitzen Winkel ein; dieser Winkel wird als Freiwinkel, also von der Flan ke weg durch die Einbuchtung zum Strömungspfad genommen (nicht durch das Material). Der Winkel, den die steile Flanke mit dem Strömungspfad einschließt, ist je denfalls größer, in bevorzugter Ausgestaltung ist es ein stumpfer Winkel (wiederum als Freiwinkel von der Flanke weg durch die Einbuchtung genommen). Die steile Flanke bildet also bezogen auf die Radialrichtung eine Hinterschneidung, was die Blockage bzw. Verwirbelung des Spaltfluids weiter begünstigen kann. Im Schnitt betrachtet kann die Einbuchtung somit ein halbherzförmiges Profil haben.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform dieses weiteren Aspekts der Erfindung erstreckt sich die Einbuchtung im Schnitt betrachtet in die Druckseitenfläche des Leitschaufelblatts hinein. Bildlich gesprochen ist dort die Außenkante (äußere Deck fläche) bzw. Innenkante (innere Deckfläche) der Druckseitenfläche im Vergleich zu der entsprechenden Kante der Saugseitenfläche etwas angehoben, ist also ihr Ab stand zur jeweiligen Gaskanalwand etwas größer. Dies kann für sich betrachtet eine Einströmung druckseitig erhöhen, infolge der resultierenden Verwirbelung und damit Blockage jedoch die aerodynamische Dichtung verbessern. Eine entsprechend ange hobene Druckseitenfläche kann auch mit einer Polygon- bzw. rechteckförmigen Nut kombiniert werden, bevorzugt betrifft sie jedoch eine Einbuchtung mit steiler und flacher Flanke, wobei sich letztere in die Druckseitenfläche hinein erstreckt.
Trotz des einseitig größeren Abstands zur Gaskanalwand wird die minimale Spalt weite nicht größer, sie bleibt jedenfalls in der Saugseitenfläche, mitunter auch im Spalt selbst erhalten. Generell ist die Strukturierung bevorzugt derart vorgesehen bzw. dahingehend von Vorteil, dass die minimale Spaltweite im Vergleich zu einer Deckfläche ohne Strukturierung beibehalten werden kann. Bezogen auf den Strömungspfad ist die Strukturierung nur in einem Bereich des Spalts vorgesehen, bspw. in Form der Nut. Bislang wurde vorrangig auf das Profil der Nut im Schnitt, nämlich die Einbuchtung Bezug genommen ln ihrer Längenerstreckung verläuft die Nut in bevorzugter Ausgestaltung dieses weiteren Aspekts der Erfindung entlang der Schaufelblattsehne, folgt sie also in dem hinteren Abschnitt entlang der Sehne der Krümmung. Bezogen auf eine entlang der Schaufelblattsehne genommene Spaltlänge erstreckt sich die Nut bevorzugt über mindestens 60 %, 70 % bzw. 80 % der Spaltlänge; sie kann sich auch über den gesamten Spalt (100 %) erstrecken, es können aber auch Obergrenzen bei bspw. 95 % oder 90 % liegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses weiteren Aspekts der Erfindung ist die Deckfläche mit einer Wabenstruktur strukturiert. Diese Wabenstruktur ist in einer Radialansicht zu erkennen, von außen (äußere Deckfläche) oder innen (innere Deckfläche). Die Wabenstruktur ist zum Spalt hin offen, bildet also eine Vielzahl jeweils zum Spalt hin geöffneter Kavitäten. Bezogen auf den Strömungspfad werden diese bevorzugt von Trennwänden separiert, diese können bspw. in Form eines Honigwabenmusters angeordnet sein (radial gesehen). ln bevorzugter Ausgestaltung dieses weiteren Aspekts der Erfindung ist zumindest das Leitschaufelblatt ein generativ gefertigtes Bauteil, das schichtweise aus einem zuvor formlosen bzw. -neutralen Stoff aufgebaut ist bzw. wird, bspw. in einem Pulverbettverfahren. Ebenso betrifft die Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Mit der generativen Herstellung sind auch vergleichsweise komplexe Geo metrien möglich, sodass sich die vorliegend beschriebenen Strukturierungen gut in das Leitschaufelblatt integrieren lassen. Alternativ kann bspw. auch zunächst das Leitschaufelblatt hergestellt und anschließend die Strukturierung eingebracht wer den, bspw. spanend (das Leitschaufelblatt kann dann bspw. auch gegossen werden). Ferner kann bspw. auch ein Ansetzabschnitt mit der Strukturierung als gesondertes Teil hergestellt werden, z. B. generativ, und kann der Ansetzabschnitt dann an das zuvor für sich hergestellte Leitschaufelblatt angesetzt werden.
Der weitere Aspekt der Erfindung betrifft auch ein Verdichtermodul mit einer vorlie gend offenbarten Leitschaufelanordnung, ferner betrifft sie ein Flugtriebwerk mit einem solchen Verdichtermodul. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird der weitere Aspekt der Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeord neten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchska tegorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
Fig. 5 ein Mantelstromtriebwerk in einem schematischen Schnitt; Fig. 6 eine Leitschaufelanordnung mit einer verstellbaren Leitschaufel auf ei nem Drehteller in einer Schrägansicht;
Fig. 7 eine verstellbare Leitschaufel in einer Umlaufprojektion;
Fig. 8 einen Tangentialschnitt durch das Leitschaufelblatt gemäß Figur 3 zur Illustration einer Spaltströmung;
Fig. 9 eine erste Möglichkeit zur Strukturierung einer Deckfläche des Leit schaufelblatts zur Erzeugung einer Strömungsblockage;
Fig. 10 eine zweite Möglichkeit zur Strukturierung der Deckfläche des Lauf schaufelblatts;
Fig. 11 eine dritte Möglichkeit zur Strukturierung der Deckfläche des Leitschaufelblatts; Fig. 12 eine vierte Möglichkeit zur Strukturierung der Deckfläche des Leitschau felblatts.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung Fig. 5 zeigt eine Strömungsmaschine 1 im Schnitt, konkret ein Strahltriebwerk (Man telstromtriebwerk). Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter la, Brennkammer lb und Turbine lc. Sowohl der Verdichter la als auch die Turbine Ic sind jeweils aus mehreren Modulen aufgebaut, der Verdichter la vorliegend aus einem Niederdruck- laa und einem Hochdruckverdichter lab. Jeder Verdichter laa, lab ist seinerseits aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich in der Regel aus einem Laufschaufelkranz und einem Leitschaufelkranz zusammen. Im Betrieb wird der Verdichter la bezogen auf eine Längsachse 2 axial von dem Verdichtergas 3, vorliegend Luft, durchströmt, und zwar in einem Verdichtergaskanal 4. Dabei wird das Verdichtergas 3 komprimiert, in der Brennkammer Ib wird dann Kerosin hinzu gemischt und wird diese Mischung verbrannt.
Fig. 6 zeigt eine Leitschaufelanordnung 20 mit einer Leitschaufel 21 , die an einer Gaskanal wand 22 angeordnet ist. Die Leitschaufel 21 ist um eine Drehachse 23 drehbar gelagert, sie sitzt auf einem Drehteller 24, der in eine Ausnehmung 25 in der Gaskanalwand 22 eingesetzt ist. Die Drehachse 23 ist in einem axial vorderen Abschnitt 30 des Leitschaufelblatts 21 angeordnet, dieser sitzt auf Drehteller 24. Ein axial hinterer Abschnitt 31 steht nach hinten über, zwischen der Gaskanalwand 22 und der entsprechenden Deckfläche 32 des Leitschaufelblatts 21 gibt es einen Spalt 33.
Wie die schematische Umlaufprojektion gemäß Fig. 7 illustriert, ist das Leitschaufelblatt 21 sowohl an der radial inneren Gaskanalwand 22.1 als auch an der radial äußeren Gaskanalwand 22.2 entsprechend drehbar gelagert, gibt es also radial innen einen Spalt 33.1 und radial außen einen Spalt 33.2. Der vorliegende Gegenstand kann sowohl die radial innere Deckfläche 32.1 als auch die radial äußere Deckfläche 32.2 betreffen.
Wie in Fig. 8 illustriert, die das Leitschaufelblatt 21 in einem Tangentialschnitt zeigt, stellt sich aufgrund des Druckgradienten zwischen der Saugseitenfläche 35 und der Druckseitenfläche 36 des Leitschaufelblatts 21 eine Spaltströmung 37 durch den Spalt 33 ein. Diese unter- bzw. überströmt das Leitschaufelblatt 21 im Wesentlichen orthogonal zur Schaufelsehne, saugseitig kommt es zu einer Interaktion mit der Hauptströmung 38. In der Folge können sich ein Teilspaltwirbel sowie ein Blocka- gegebiet 39 ausbilden, was hohe Verluste und Fehlanströmungen zur Folge haben kann.
Um dem vorzubeugen, ist die Deckfläche 32 des Leitschaufelblatts strukturiert, näm- lieh bei den Varianten gemäß den Figuren 5-7 jeweils mit einer sich entlang der
Schaufelsehne erstreckenden Nut 50 versehen. Diese bildet im Schnitt betrachtet eine Einbuchtung 51 , in welche die Spaltströmung 37 eintritt, was zu der schematischen angedeuteten Verwirbelung führt. Es wird eine aerodynamische Dichtung geschaf fen, das Unter- bzw. Überströmen kann zumindest verringert werden. Bei der Vari- ante gemäß Fig. 9 hat die Einbuchtung 51 ein rechteckförmiges Profil und lässt sich vergleichsweise einfach spanend einbringen.
Bei der Variante gemäß Fig. 10 hat die Nut 50 bzw. Einbuchtung 51 ein asymmetrisches Profil, nämlich eine flache Flanke 60 und eine steile Flanke 62. Die flache Flanke 60 schließt mit einem Strömungspfad 65 der Spaltströmung 37 einen spitzen Winkel 61 ein, die steile Flanke 62 hingegen einen stumpfen Winkel 63. Entlang der flachen Flanke 60 kann das Spaltfluid gut in die Einbuchtung 51 einströmen, die steile Flanke 62 erlegt ihm eine dem Strömungspfad 65 entgegengesetzte Richtungs komponente auf. Auch bei der Variante gemäß Fig. 11 wird die Einbuchtung von einer flachen Flanke 60 und einer steilen Flanke 62 gebildet. Zusätzlich erstreckt sich die Einbuchtung 51 in die Druckseitenfläche 36 hinein, öffnet sie sich also dieser Seite hin. Dementspre chend ist ein Abstand 70 zwischen einer Kante 36. 1 der Druckseitenfläche 36 und der Gaskanal wand 22 größer als der Abstand 71 zwischen der Kante 35.1 der Saug- Seitenfläche 35 und der Gaskanalwand 22. Das Spaltfluid kann gut einströmen, wird verwirbelt und schafft so die Strömungsblockage.
Bei der Variante gemäß Fig. 12 bildet eine Wabenstruktur 80 die Strukturierung der Deckfläche 32. Es sind also eine Vielzahl, jeweils zum Spalt 33 hin offene Kavitäten 81 vorgesehen, in denen sich die Spaltströmung 37 verfängt, was den Blockageeffekt schafft. In radialer Richtung gesehen können die Kavitäten 81 bspw. einem Honig wabenmuster folgen.
BEZUGSZEICHENLISTE der Fig. 5 bis 12
Strömungsmaschine l
Verdichter la
Brennkammer lb Turbine Ic
Längsachse 2
Verdichtergas 3
Verdichtergaskanal 4
Leitschaufelanordnung 20 Leitschaufelblatt 21
Gaskanalwand 22 innere Gaskanalwand 22.1 äußere Gaskanalwand 22.2
Drehachse 23 Drehteller 24
Ausnehmung 25
Axial vorderer Abschnitt 30
Axial hinterer Abschnitt 31
Deckfläche 32 innere Deckfläche 32.1 äußere Deckfläche 32.2
Spalt 33 innerer Spalt 33.1 äußerer Spalt 33.2 Saugseitenfläche 35
Kante 35.1
Druckseitenfläche 36
Kante 36. 1
Spaltströmung 37 Hauptströmung 38 Blockagegebiet 39
Figure imgf000026_0001
Einbuchtung 51 flache Flanke 60
Spitzer Winkel 61 steile Flanke 62 Stumpfer Winkel 63
Strömungspfad 65
Abstand 70
Abstand 71
Wabenstruktur 80 Kavitäten 81

Claims

Patentansprüche
1. Leitschaufelanordnung für eine Turbomaschine, insbesondere eine Verdichter oder Turbinenstufe einer Gasturbine, mit wenigstens einer um eine Drehachse (D) verstellbaren Leitschaufel, deren Schaufelblatt (10) zwischen einer ersten Wandung (1) und einer zweiten Wandung (2) angeordnet ist und eine Druckseite
(11) und eine in einer Umfangsrichtung darauffolgende Saugseite (12) aufweist, wobei wenigstens eine dieser Wandungen eine dieser Leitschaufel zugeordnete erste Nut aufweist, die eine hintere Flanke (22) und eine drehachsnähere vordere Flanke (21) aufweist, welche durch ein erstes Ende (23) und ein in der Umtangs- richtung darauffolgendes zweites Ende (24) der ersten Nut miteinander verbunden sind, und wobei in wenigstens einer Stellung der Leitschaufel, insbesondere über wenigstens ein Viertel eines Verstellbereichs der Leitschaufel und/oder im Auslegungsbetriebspunkt, eine schaufelseitige Öffnung (25) der ersten Nut und eine Projektion einer dieser Wandung zugewandten und von ihr beabstandeten Stirnseite ( 13) des Schaufelblattes der Leitschaufel in Richtung der Drehachse auf diese Wandung einander wenigstens teilweise überdecken.
2. Leitschaufelanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass diese Wandung wenigstens eine weitere der Leitschaufel zuge ordnete, von der ersten Nut beabstandete, Nut aufweist, die eine hintere und eine drehachsnähere vordere Flanke aufweist, die durch ein erstes und ein in der Umfangsrichtung darauffolgendes zweites Ende der weiteren Nut miteinander ver bunden sind, wobei in der wenigstens einen Stellung der Leitschaufel, insbeson dere über wenigstens ein Viertel eines Verstellbereichs der Leitschaufel und/oder im Auslegungsbetriebspunkt, eine schaufelseitige Öffnung (25) dieser weiteren Nut und die Projektion der Stirnseite einander wenigstens teilweise überdecken.
3. Leitschaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder wenigstens eine weitere Nut derart aus gebildet ist, dass ein Einströmen von Fluid in einen Teilspalt (T) zwischen der Stirnseite des Schaufelblattes der Leitschaufel und der ihr zugewandten Wan- düng in wenigstens einem Betriebspunkt, insbesondere dem Auslegungsbe triebspunkt, behindert, insbesondere blockiert, und/oder aus dem Teilspalt (T) und/oder der Nut ausströmendes Fluid zu einer Hinterkante (14) der Leitschaufel hin umgelenkt wird.
4. Leitschaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende der ersten Nut und/oder der wenigstens einen weiteren Nut wenigstens eine Hinterschneidung (26), insbesondere die erste und/oder wenigstens eine weitere Nut wenigstens abschnittsweise einen halb herzartigen Querschnitt, aufweist.
5. Leitschaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere und/oder hintere Flanke der ersten Nut und/oder der wenigstens einen weiteren Nut wenigstens abschnittsweise mit zu nehmendem Abstand zur Drehachse zur schaufelseitigen Öffnung dieser Nut hin ansteigen.
6. Leitschaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Flanke der ersten Nut und/oder der wenigstens einen weiteren Nut an der schaufelseitigen Öffnung dieser Nut konvex ist, insbe sondere eine Abrundung (27) aufweist.
7. Leitschaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ende (23a) der schaufelseitigen Öffnung der ersten Nut und/oder der wenigstens einen weiteren Nut mindestens so weit von der Drehachse beabstandet ist wie ein in der Umfangsrichtung darauffolgendes zweites Ende (24a) der schaufelseitigen Öffnung dieser Nut, insbesondere weiter als das zweite Ende.
8. Leitschaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Stellung der Leitschaufel, insbe sondere über wenigstens ein Viertel eines Verstellbereichs der Leitschaufel und/oder im Auslegungsbetriebspunkt, die schaufelseitige Öffnung (25) der ers- ten Nut und/oder der wenigstens einen weiteren ut gegenüber der Saug- und/oder Druckseite der Stirnseite des Schaufelblattes der Leitschaufel hervorsteht.
9. Leitschaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Stellung der Leitschaufel, insbesondere über wenigstens ein Viertel eines Verstellbereichs der Leitschaufel und/oder im Auslegungsbetriebspunkt, ein minimaler Abstand zwischen der schaufelseitigen Öffnung (25) der ersten Nut und einem stromaufvvärtigen Anfang der Stirnseite (13) des Schaufelblattes (10) der Leitschaufel höchstens 25% eines minimalen Abstands zwischen diesem Anfang und einer Hinterkante (14) der Stirnseite beträgt.
10. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit wenigstens einer Leitschaufelan ordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Verfahren zum Betreiben einer Leitschaufelanordnung nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, wobei die Leitschaufel um die Drehachse (D) in eine Stellung verstellt wird, in der die schaufelseitige Öffnung (25) der ersten Nut der Wandung und die Projektion der Stirnseite (13) des Schaufelblattes (10) der Leitschaufel in Richtung der Drehachse (D) auf diese Wandung (1, 2) einander wenigstens teilweise überdecken.
12. Leitschaufelanordnung (20, Bezugszeichen der Ansprüche 12 bis 15 beziehen sich auf die Fig. 5-12) für eine Strömungsmaschine (1), mit einem Leitschaufelblatt (21), das eine Druckseitenfläche (36) und eine Saugseitenfläche (35) hat, wobei das Leitschaufelblatt (21) an einer einen Gaskanal (42) be- grenzenden Gaskanalwand (22) um eine Drehachse (23) drehbar gelagert ist, und wobei die Drehachse (23) bezogen auf eine Umströmung des Leitschaufelblatts (21) in dem Gaskanal (42) in einem vorderen Abschnitt (30) der Leitschaufel blatts (21) angeordnet ist und in einem hinteren Abschnitt (31) eine Deckfläche (32) des Leitschaufelblatts (21) mit der Gaskanalwand (22) einen Spalt (33) be grenzt, wobei die Deckfläche (32) strukturiert ist, um eine im Betrieb durch einen Druckgradienten zwischen der Druckseitenfläche (36) und der Saugseitenfläche (35) des Leitschaufelblatts (21) getriebene Spaltströmung (37) durch den Spalt (33) zumindest zu verringern.
13. Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 12, bei welcher die Deckfläche (32) mit einer Nut (50) strukturiert ist, die in einer Schnittebene betrachtet, die senk recht zu einer Schaufelblattsehne liegt, eine Einbuchtung (51) bildet.
\
14. Leitschaufelanordnung (20) nach einem der Ansprüche 13, bei welcher sich die Einbuchtung (51) in der Schnittebene betrachtet in die Druckseitenfläche (36) des Leitschaufelblatts (21) hinein erstreckt, in der Schnittebene betrachtet also eine Kante (36.1) der Druckseitenfläche (36) einen größeren Abstand (70) zu der Gaskanalwand (22) hat als eine Kante (35.1) der Saugseitenfläche (35).
15. Leitschaufelanordnung (20) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei welcher die Nut (50) in der Deckfläche (32) entlang der Schaufelblattsehne verläuft.
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