WO2021110192A1 - Leitschaufelanordnung für eine strömungsmaschine - Google Patents

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WO2021110192A1
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Andre Inzenhofer
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Definitions

  • the present invention relates to a guide vane arrangement with a adjustable vane blade for a fluid flow machine.
  • the turbo machine can. be, for example, a jet engine, z. B. a turbofan engine.
  • the turbomachine is divided into a compressor, combustion chamber and turbine.
  • air that is sucked in is compressed in the gas duct of the compressor and burned with kerosene mixed in in the downstream combustion chamber.
  • the resulting hot gas, a mixture of combustion gas and air flows through the downstream turbine and is expanded in the process.
  • the turbine also extracts some of the energy from the hot gas in order to drive the compressor.
  • the present subject matter relates to an adjustable guide vane blade which is arranged on a gas duct wall so as to be rotatable about an axis of rotation and which delimits the gas duct radially in relation to the longitudinal axis of the turbomachine.
  • the axis of rotation is arranged in a front section (it penetrates the guide blade).
  • a rear section of the guide vane blade that is to say in an area at its rear edge, there is a gap between the gas duct wall and a top surface of the guide vane 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 invention is based on the technical problem of specifying an advantageous guide vane arrangement with an adjustable guide vane blade.
  • the gap that the top surface of the guide vane blade delimits together with the gas duct wall is designed as a diffuser. This relates to a gap flow directed from the pressure side in the direction of the suction side, the gap widens 5 in the direction of flow thereof.
  • the gap flow occurs due to the pressure gradient between the pressure and suction side; the flow under or over the guide vane in the axially rearward section. Interaction with the main flow can lead to losses of mix and the formation of a speed deficit.
  • a negative axial velocity component of the gap flow can locally decelerate the main flow in the area of the partial gap.
  • the partial gap flow or its negative axial velocity component can be delayed, ie the intensity of the interaction with the main flow can be reduced. As a result, for example, the mixing losses can be reduced and a more homogeneous guide vane outflow can also be achieved.
  • the information “axial”, “radial” and “circumferential”, as well as the associated directions (axial direction etc.), relate in the context of this disclosure to the longitudinal axis of the turbo machine or the compressor module, around which the rotor blade rings, for example, during operation rotate.
  • the information “vome” / “vqrderer” or “rear” / “rear” relate to the flow around the guide vane blade in the gas duct, ie to the main flow.
  • Front means upstream, rear downstream waiting. In order to prevent underflow or overflow of the guide vane blade in the axially front section, this can be arranged there on a rotary plate.
  • the limitation of the turntable to the axially front section, as a result of which the gap arises axially at the rear, can be geometrically advantageous because of the correspondingly smaller size of the turntable, e.g. B. with regard to the staggering of circumferentially adjacent guide vane blades.
  • the diffuser effect of the gap results from an outflow cross-section that is larger in relation to the inflow cross-section.
  • an edge of the pressure side surface facing the gas duct wall, together with the gas duct wall delimits the inflow cross-section;
  • the outflow cross-section is delimited by an edge of the suction side surface facing the gas channel wall together with the gas channel wall.
  • the respective edge lies in or forms the transition between the respective side surface of the guide vane and the top surface.
  • the gap width generally does not have to increase uniformly or continuously from the suction to the pressure side; for example, sections of constant width are also possible (see in detail below).
  • the inflow cross-section can, for. B. can be chosen so that it corresponds to a minimum possible gap width due to manufacturing or due to thermal restrictions. With the design as a diffuser, the amount of fluid flowing through the gap is not changed, but this is delayed on the suction side (which results in the reduced interaction). From the change in width related to the gap flow, it can be seen that the “diffuser effect” relates to a subsonic flow.
  • the outflow cross section is at least 1.2 times the inflow cross section, particularly preferably at least 1.3 times.
  • Advantageous upper limits can, for example, be at most twice or 1.9 times the inflow cross-section.
  • the gas duct wall at least partially forms the diffuser, that is to say, viewed in section, it is shaped with an indentation.
  • This can overall have the shape of a bead or groove and be introduced into the housing wall facing the top surface of the guide vane blade.
  • the top surface of the guide vane blade at least partially forms the diffuser.
  • the edge of the suction side surface is raised compared to the edge of the pressure side surface, either radially outwards (gap on the inner gas duct wall) or radially inwards (gap on the outer gas duct wall).
  • the “raised” edge of the suction side surface viewed in the sectional plane, can be spaced from a straight line which is perpendicular to the pressure side surface and touches the edge of the pressure side surface, that is, it can be offset into the gas channel.
  • the diffuser design by means of the top surface can be used on its own or in combination with the arched gas duct wall.
  • the diffuser-like widening gap or an above-specified ratio of outflow and inflow cross-section is preferably in any case at the design operating point (Aerodynamic Design Point, ADP), e.g. B. in the case of an aircraft engine under CVmse condition.
  • ADP Alternodynamic Design Point
  • the gap flow can also increase in particular when the compressor is throttled and lead to a strong radial flow redistribution of the guide vane outflow, which can have a negative effect on the aerodynamic stability and the efficiency of the downstream rotor blade. Due to the generally circular hub or housing contour, the mean gap width and thus the partial gap flow can increase with increasing adjustment compared to the nominal position. With the top surface-side structuring of the diffuser, the intensity of the gap flow and thus its
  • the cover surface forming the diffuser has a straight course, at least in sections.
  • the top surface can extend in a straight line as a whole, that is, from the pressure to the Suction side surface, but on the other hand it can also only have a recti-ned course in sections.
  • the top surface has a convex and / or a concave curvature at least in sections. It can in turn extend as a whole, that is to say from edge to edge, with the corresponding curvature (convex or concave), but on the other hand the corresponding curvature can also only be present in one section. In particular, combinations with a straight course into the pressure and / or suction side surface are also possible.
  • a combination of concave and convex curvature can be preferred, with a section of concave curvature particularly preferably following a section of convex curvature (based on the gap flow).
  • the top surface can have a freely formed contour or a contour running with inflection points, for example in order to influence or optimize the outflow vector.
  • the configuration as a diffuser is present in a preferred configuration over at least 60%, 70% or 80% of the gap length.
  • the gap can also form a diffuser over its entire length (100%), but upper limits can also be 95% or 90%, for example.
  • the diffuser can be formed in the entire adjustment range or only in part thereof.
  • the diffuser is realized via a correspondingly shaped top surface, its shape can e.g. B. take place after the blade production, for example by machining.
  • the guide vane blade can then also be made conventionally, z. B. by casting.
  • there is also a generative Positioning possible that is, a layer-by-layer build-up from a previously shapeless or shape-neutral material, for example in a powder bed process.
  • the contour of the top surface can already be taken into account in the course of building what z. B. can enable particularly complex geometries (freeform).
  • the invention also relates to a compressor module with a presently disclosed guide vane arrangement; it also relates to a turbo-engine or an aircraft engine with such a compressor module.
  • Figure 1 is a turbofan engine in a schematic section
  • FIG. 2 shows a guide vane arrangement with an adjustable guide vane on a turntable in an oblique view
  • FIG. 3 shows an adjustable guide vane in an orbital projection
  • FIG. 4 shows a tangential section through the guide vane according to FIG. 3 to illustrate a gap flow
  • FIG. 5 shows a first possibility for forming a diffuser by means of a top surface contouring
  • FIG. 6 shows a second possibility for forming a diffuser by means of a top surface contouring
  • FIG. 6 shows a third possibility for forming a diffuser by means of a top surface contouring
  • FIG. 7 shows a possibility of forming a diffuser by means of combined top surface and gas channel wall contouring.
  • FIG. 1 shows a flow machine 1 in section, specifically a jet engine (turbofan engine).
  • the flow machine 1 is functionally divided into a compressor la, combustion chamber lb and turbine lc.
  • Both the compressor la and the turbine lc are each made up of several modules, the compressor la presently from a low-pressure laa and a high-pressure compressor lab.
  • Each compressor laa, lab is in turn composed of several stages, each stage is in the Usually composed of a rotor blade ring and a guide blade ring.
  • the compressor la is axially relative to a longitudinal axis 2 of the Ver dense gas 3, in this case air, flows through, in a compressor gas channel 4.
  • the compressor gas 3 is compressed, in the combustion chamber lb Ke rosin is then added and this mixture is burned.
  • FIG. 2 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, this sits on the turntable 24.
  • An axially rear section 31 protrudes to the rear, between the gas duct wall 22 and the corresponding top surface 32 of the guide vane blade 21 there is one
  • the guide vane blade 21 is rotatably mounted both on the radially inner gas duct wall 22.1 and on 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.
  • the gap flow 37 through the gap 33 occurs due to the pressure gradient between the suction side surface 35 and the pressure side surface 36 of the guide vane blade 21. This flows under or over the guide vane blade 21 essentially orthogonally to the skeleton line 45, there is an interaction with the main flow 38 on the suction side.
  • the gap flow 37 here has a flow opposite to the main flow
  • the top surface 32 of the guide vane blade 21 is contoured, namely it forms a diffuser 50.
  • the outflow cross section 52 is approximately 1.5 times the inflow cross section 51. Due to the widening flow cross-section, the gap flow 37 experiences a delay, which on the suction side reduces the intensity of the interaction with the main flow 38.
  • the top surface 32 has a straight course when viewed in the section plane 46 perpendicular to the skeleton line 45 (see FIG. 4).
  • FIG. 6 shows a top surface 32 which has a concave curvature 60 (viewed in the same sectional plane 46).
  • the top surface 32 is provided with a convex curvature 70; Binations of convex and concave curvature in sections are possible (not shown), compare the introduction to the description in detail.
  • the diffuser 50 is formed on the one hand by the contoured top surface 32, which in this case is shaped analogously to the variant according to FIG. Furthermore, the gas duct wall 22 is also structured, namely provided with a bulge 80. This forms the diffuser 50 together with the contoured top surface 32, thus intensifying the delay that the gap flow 37 experiences in the gap 33.
  • Compressor gas 3 Compressor gas duct 4
  • 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 (20) 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) begrenzenden 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) des Leitschaufelblatts (21) angeordnet ist und in einem hinteren Abschnitt (31) eine Deckfläche (32) des Leitschaufelblatts (21) mit der Gaskanalwand (22) einen Spalt (33) begrenzt, wobei sich der Spalt (33) in einer Schnittebene (46) betrachtet, die senkrecht zu einer Skelettlinie (45) liegt, von der Druckseitenfläche (36) zu der Saugseitenfläche (35) solchermaßen weitet, dass er für eine Spaltströmung (37), die durch einen Druckgradienten zwischen der Druckseitenfläche (36) und der Saugseitenfläche (35) getrieben wird, einen Diffusor (50) bildet.

Description

LEITSCHAUFELANORDNUNG FÜR EINE STRÖMUNGSMASCHINE BESCHREIBUNG Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufelanordnung mit einem verstellba ren Leitschaufelblatt für eine 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 im Gaskanal des .Verdichters komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbi ne und wird dabei expandiert. Dabei entzieht die Turbine dem Heißgas anteilig auch Energie, um den Verdichter anzutreiben.
Der vorliegende Gegenstand betrifft ein verstellbares Leitschaufelblatt, das um eine Drehachse drehbar an einer Gaskanalwand angeordnet ist, die den Gaskanal bezogen auf die Längsachse der Strömungsmaschine radial begrenzt. Bezogen auf die Um strömung des Laufschaufelblatts ist die Drehachse in einem vorderen Abschnitt da von angeordnet (sie durchsetzt das Leitschaufelblatt). In 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 Leitschaufelblatts nach radial außen gewandt (äußere Gaskanalwand) oder nach radial innen (innere Gaskanal wand).
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Leitschaufelanordnung mit einem verstellbaren Leitschaufelblatt anzugeben.
Bestätigungskopie Dies wird erfindungsgemäß mit der Leitschaufelanordnung gemäß Anspruch 1 ge löst. Bei dieser ist der Spalt, den die Deckfläche des Leitschaufelblatts gemeinsam mit der Gaskanalwand begrenzt, als Diffusor ausgestaltet. Dies bezieht sich auf eine von der Druck- in Richtung Saugseite gerichtete Spaltströmung, der Spalt weitet sich 5 in deren Strömungsrichtung.
Wird das Leitschaufelblatt im Ga kanal umströmt (Hauptströmung), stellt sich die Spaltströmung aufgrund des Druckgradienten zwischen Druck- und Saugseite ein, das Leitschaufelblatt wird in dem axial hinteren Abschnitt unter- bzw. überströmt. Durch eine Interaktion mit der Hauptströmung kann es zu Mi schungs Verlusten und lö zur Ausbildung eines Geschwindigkeitsdefizits kommen. Eine negative Axialgeschwindigkeitskomponente der Spaltströmung kann die Hauptströmung im Bereich der Teilspalte lokal verzögern. Mit der erfmdungsgemäßen Ausgestaltung als Diffusor lässt sich die Teilspaltströmung bzw. ihre negative Axialgeschwindigkeitskomponente verzögern, kann also die Intensität der Wechselwirkung mit der Hauptströ- 15 mung verringert werden. Im Ergebnis lassen sich bspw. die Mi schungs Verluste reduzieren und kann auch eine homogenere Leitschaufelabströmung erreicht werden.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten 20 unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher
Anspruchskategorien zu lesen. Ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe beziehen sich die Konkretisierungen stets sowohl auf die Leitschaufelanordnung als auch auf einen axialen Verdichter mit einer solchen Leitschaufelanordnung, und auch auf entsprechende Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekte.
25 Die Angaben „axial“, „radial“ und „umlaufend“, sowie die zugehörigen Richtungen (Axialrichtung etc.), beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung auf die Längsach se der Strömungsmaschine bzw. des Verdichtermoduls, um welche bspw. im Betrieb die Laufschaufelkränze rotieren. Die Angaben „vome“/„vqrderer“ bzw. „hin- ten“/„hinterer“ beziehen sich auf die Umströmung des Leitschaufelblatts im Gaska- 30 nal, also auf die Hauptströmung. Vorne meint also stromaufwärtig, hinten stromab- wärtig. Um ein Unter- bzw. Überströmen des Leitschaufelblatts in dem axial vorderen Abschnitt zu verhindern, kann dieses dort auf einem Drehteller angeordnet sein. Die Begrenzung des Drehtellers auf den axial vorderen Abschnitt, infolge welcher sich der Spalt axial hinten ergibt, kann wegen der entsprechend geringeren Größe des Drehtellers geometrisch von Vorteil sein, z. B. hinsichtlich der Staffelung umlaufend benachbarter Leitschaufelblätter.
Die Diffusorwirkung des Spalts ergibt sich aus einem im Verhältnis zum Einström- querschnitt größeren Ausströmquerschnitt. In einem zur Skelettlinie des Schaufelblatts senkrechten Schnitt betrachtet begrenzt eine der Gaskanalwand zugewandte Kante der Druckseitenfläche gemeinsam mit der Gaskanalwand den Einströmquer- schnitt; den Ausströmquerschnitt begrenzt eine der Gäskanalwand zugewandte Kante der Saugseitenfläche gemeinsam mit der Gaskanalwand. Die jeweilige Kante liegt im bzw. bildet den Übergang zwischen der jeweiligen Seitenfläche des Leitschaufel blatts und der Deckfläche. Die Spaltweite muss dabei von der Saug- zur Druckseite im Allgemeinen nicht gleichförmig bzw. auch nicht kontinuierlich zunehmen, es sind bspw. auch Abschnitte konstanter Weite möglich (siehe unten im Detail).
Der Einströmquerschnitt kann z. B. so gewählt werden, dass er einer aus Fertigungs gründen bzw. aufgrund thermischer Restriktionen minimal möglichen Spaltweite entspricht. Mit der Ausgestaltung als Diffusor wird insofern nicht die Menge des den Spalt durchströmenden Fluids verändert, dieses wird aber saugseitig verzögert (was die verringerte Wechselwirkung ergibt). Aus der auf die Spaltströmung bezogene Weitenänderung ist ersichtlich, dass sich die „Diffusorwirkung“ auf eine Unter- schalldurchströmung bezieht.
In bevorzugter Ausgestaltung beträgt der Ausströmquerschnitt mindestens das 1,2- Fache des Einströmquerschnitts, besonders bevorzugt mindestens das 1,3-Fache. Vorteilhafte Obergrenzen können bspw. bei höchstens dem 2-Fachen oder 1,9- Fachen des Einströmquerschnitts liegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Gaskanalwand zumindest an teilig den Diffusor, ist sie also im Schnitt betrachtet mit einer Einwölbung geformt. Diese kann insgesamt die Form einer Sicke bzw. Nut haben und der Deckfläche des Leitschaufelblatts zugewandt in die Gehäusewand eingebracht sein.
In bevorzugter Ausgestaltung bildet die Deckfläche des Leitschaufelblatts zumindest anteilig den Diffusor. Es ist also die Kante der Saugseitenfläche im Vergleich zur Kante der Druckseitenfläche angehoben, entweder nach radial außen (Spalt an innerer Gaskanalwand) oder nach radial innen (Spalt an äußerer Gaskanalwand). Die „angehobene“ Kante der Saugseitenfläche kann in der Schnittebene betrachtet zu einer Geraden, die senkrecht zur Druckseitenfläche liegt und die Kante der Druckseitenfläche berührt, beabstandet, also in den Gaskanal hinein versetzt sein. Generell kann die Diffüsorausbildung mittels der Deckfläche für sich oder in Kom bination mit der eingewölbten Gaskanalwand Anwendung finden. Ein Vorteil der Deckflächengestaltung kann sich bspw. dahingehend ergeben, dass der Diffusor dann weniger vom Verstellwinkel des Leitschaufelblatts abhängen kann. Generell liegt der sich diffusorartig weitende Spalt bzw. ein vorstehend angegebenes Verhältnis von Ausström- und Einströmquerschnitt bevorzugt jedenfalls im Auslegungsbetriebspunkt ( Aerodynamic Design Point, ADP) vor, z. B. im Falle eines Flugtriebwerks unter CVmse-Bedingung.
Die Spaltströmung kann insbesondere auch bei einer Androsselung des Verdichters zunehmen und zu einer starken radialen Strömungsumverteilung der Leitschaufelab- Strömung fuhren, was sich negativ auf die aerodynamische Stabilität sowie den Wir- kungsgrad der stromabwärtigen Laufschaufel auswirken kann. Aufgrund der in der Regel kreisförmigen Naben- bzw. Gehäusekontur kann die mittlere Spaltweite und damit die Teilspaltströmung mit zunehmender Verstellung gegenüber der Nominal stellung zunehmen. Mit der deckflächenseitigen Strukturierung des Diffusors kann auch bei großen Verstellwinkeln die Intensität der Spaltströmung und damit deren
Wechselwirkung mit der Hauptströmung verringert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die den Diffusor bildende Deckflä che im Schnitt betrachtet zumindest abschnittsweise einen geradlinigen Verlauf. Die Deckfläche kann sich im Gesamten geradlinig erstrecken, also von der Druck- zur Saugseitenfläche, sie kann aber andererseits auch nur abschnittsweise einen geradli nigen Verlauf haben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Deckfläche zumindest ab schnittsweise eine konvexe und/oder eine konkave Krümmung. Sie kann sich wiede- rum im Gesamten, also von Kante zu Kante, mit der entsprechenden Krümmung (konvex oder konkav) erstrecken, andererseits kann die entsprechende Krümmung aber auch jeweils nur in einem Abschnitt vorliegen. Es sind insbesondere auch Kombinationen mit einem geradlinigen Verlauf in die Druck- und/oder Saugseitenfläche hinein möglich. Bevorzugt kann eine Kombination aus konkaver und konvexer Krümmung sein, wo bei besonders bevorzugt ein Abschnitt konkaver Krümmung auf einen Abschnitt konvexer Krümmung folgt (bezogen auf die Spaltströmung). Dies kann ferner mit einer abschnittsweise geradlinigen Erstreckung kombiniert werden, zwischen dem konkaven und konvexen Abschnitt und/oder am Einström- und/oder Ausströmquer- schnitt. In allgemeinen Worten kann die Deckfläche im Schnitt betrachtet eine frei geformte bzw. mit Wendepunkten verlaufende Kontur haben, bspw. um den Ab- strömvektor zu beeinflussen bzw. zu optimieren.
Bislang wurde vorrangig auf die Kontur bzw. Form des Spalts im Schnitt Bezug genommen, also in der zür Skelettlinie senkrechten Schnittebene. Bezogen auf eine entlang der Skelettlinie genommene Länge des Spalts liegt die Ausgestaltung als Diffusor in bevorzugter Ausgestaltung ü.ber mindestens 60 %, 70 % bzw. 80 % der Spaltlänge vor. Der Spalt kann auch über seine gesamte Länge einen Diffusor bilden (100 %), es können aber bspw. auch Obergrenzen bei 95 % oder 90 % liegen. Beispielsweise kann der Diffusor im gesamten Verstellbereich oder nur in einem Teil davon gebildet werden.
Wird der Diffusor über eine entsprechend geformte Deckfläche realisiert, kann deren Formgebung z. B. im Anschluss an die Schaufelblattherstellung erfolgen, etwa durch spanende Nachbearbeitung. Das Leitschaufelblatt kann dann auch konventionell her gestellt werden, z. B. durch Gießen. Andererseits ist aber auch eine generative Her- Stellung möglich, also ein schichtweises Aufbauen aus einem zuvor formlosen bzw. formneutralen Werkstoff, bspw. in einem Pulverbettverfahren. Hierbei kann die Kontur der Deckfläche auch bereits im Zuge des Aufbauens berücksichtigt werden, was z. B. besonders komplexe Geometrien (Freiform) ermöglichen kann. Die Erfindung betrifft auch ein Verdichtermodul mit einer vorliegend offenbarten Leitschaufelanordnung, ferner betrifft sie eine Strömungsmaschine bzw. ein Flug triebwerk mit einem solchen Verdichtermodul.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen 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 1 ein Mantelstromtriebwerk in einem schematischen Schnitt;
Figur 2 eine Leitschaufelanordnung mit einer verstellbaren Leitschaufel auf ei nem Drehteller in einer Schrägansicht;
Figur 3 eine verstellbare Leitschaufel in einer Umlaufprojektion;
Figur 4 einen Tangentialschnitt durch das Leitschaufelblatt gemäß Figur 3 zur Illustration einer Spaltströmung;
Figur 5 eine erste Möglichkeit zur Ausbildung eines Diffusors durch eine Deck- flächenkonturierung;
Figur 6 eine zweite Möglichkeit zur Ausbildung eines Diffusors durch eine Deckflächenkonturierung;
Figur 6 eine dritte Möglichkeit zur Ausbildung eines Diffusors durch eine Deckflächenkonturierung; Figur 7 eine Möglichkeit zur Ausbildung eines Diffusors durch kombinierte Deckflächen- und Gaskanalwandkonturierung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 im Schnitt, konkret ein Strahltriebwerk (Mantelstromtriebwerk). Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Ver- dichter la, Brennkammer lb und Turbine lc. Sowohl der Verdichter la als auch die Turbine lc sind jeweils aus mehreren Modulen aufgebaut, der Verdichter la vorlie gend aus einem Niederdruck- laa und einem Hochdruckverdichter lab. Jeder Ver dichter 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 Ver dichtergas 3, vorliegend Luft, durchströmt, und zwar in einem Verdichtergaskanal 4. Dabei wird das Verdichtergas 3 komprimiert, in der Brennkammer lb wird dann Ke rosin hinzugemischt und wird diese Mischung verbrannt.
Figur 2 zeigt eine Leitschaufelanordnung 20 mit einer Leitschaufel 21, die an einer Gaskanalwand 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 Ab schnitt 30 des Leitschaufelblatts 21 angeordnet, dieser sitzt auf dem 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.
Aufgrund des Druckgradienten bildet sich im Betrieb durch den Spalt 33 eine Spaltströmung 37 aus, die bereits für sich nachteilig sein kann (vergleiche Figur 4 im Detail). Ferner kann es zu einer Wechselwirkung mit anderen sekundären Strömungsef- fekten kommen, wie bspw. der Drehteller-Durchströmung 27, einem Eckenwirbel 28 (Eckenablösung) oder dem Hufeisenwirbel 29. Wie die schematische Umlaufprojektion gemäß Figur 3 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 Figur 4 illustriert, die das Leitschaufelblatt 21 in einem Tangentialschnitt zeigt, stellt sich aufgrund des Drückgradienten zwischen der Saugseitenfläche 35 und der Druckseitenfläche 36 des Leitschaufelblatts 21 die Spaltströmung 37 durch den Spalt 33 ein. Diese unter- bzw. überströmt das Leitschaufelblatt 21 im Wesentlichen orthogonal zur Skelettlinie 45, saugseitig kommt es zu einer Interaktion mit der Hauptströmung 38. Die Spaltströmung 37 hat hier eine entgegen der Hauptströmung
38 gerichtete Axialgeschwindigkeitskomponente, was starke Mischungsverluste und ein lokales Geschwindigkeitsdefizit zur Folge haben kann. Dies kann zu Wirkungs- gradeinbußen und zu einer radialen Strömungsumverteilung fuhren, die bspw. für stromab gelegene Schaufelreihen schädlich ist. Es kann sich auch ein Blockagegebiet
39 ausbilden.
Um dem Vorzubeugen ist die Deckfläche 32 des Leitschaufelblatts 21 konturiert, bildet sie nämlich einen Diffusor 50. Wie aus Figur 5 ersichtlich, ist ein Einström- querschnitt 51, durch welchen die Spaltströmung 37 in den Spalt 33 einströmt, klei ner als ein Ausströmquerschnitt 52. Der Ausströmquerschnitt 52 macht in etwa das 1,5-Fache des Einströmquerschnitts 51 aus. Durch den sich äufweitenden Strömungsquerschnitt erfährt die Spaltströmung 37 eine Verzögerung, was saugseitig die Intensität der Wechselwirkung mit der Hauptströmung 38 verringert. Bei der Variante gemäß Figur 5 hat die Deckfläche 32 in der zur Skelettlinie 45 senkrechten Schnittebene 46 (vergleiche Figur 4) betrachtet einen geradlinigen Verlauf. Im Unterschied dazu zeigt Figur 6 eine Deckfläche 32, die eine konkave Krümmung 60 hat (in derselben Schnittebene 46 betrachtet). Bei der Variante gemäß Figur 7 ist die Deckfläche 32 mit einer konvexen Krümmung 70 vorgesehen, ebenso sind Kom- binationen aus abschnittsweise konvexer und konkave Krümmung möglich (nicht dargestellt), vergleiche die Beschreibungseinleitung im Einzelnen.
Bei der Variante gemäß Figur 8 wird der Diffusor 50 zum einen von der konturierten Deckfläche 32 gebildet, die in diesem Fall analog der Variante gemäß Figur 6 ge- formt ist. Ferner ist auch die Gaskanalwand 22 strukturiert, nämlich mit einer Ein wölbung 80 vorgesehen. Diese bildet den Diffusor 50 gemeinsam mit der konturierten Deckfläche 32, verstärkt also die Verzögerung, welche die Spaltströmung 37 im Spalt 33 erfährt.
BEZUGSZEICHENLISTE
Strömungsmaschine 1
Verdichter la
Niederdruckverdichter laa Hochdruckverdichter lab
Brennkammer lb
Turbine lc
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
Drehteller-Durchströmung 27 Eckenwirbel 28
Hufeisenwirbel 29
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
Skelettlinie 45
Schnittebene 46
Diffusor 50
Einströmquerschnitt 51 Ausstromquerschnitt 52
Konkave Krümmung 60
Konvexe Krümmung 70
Einwölbung 80

Claims

ANSPRÜCHE
Leitschaufelanordnung (20) für eine Strömungsmaschine (1), mit einem Leitschaufelblatt (21), das eine Druckseitenfläche (36) und eine Saug seitenfläche (35) hat und in einem Gaskanal (42) abgeordnet ist, wobei das Leitschaufelblatt (21) um eine Drehachse (23) drehbar gelagert ist, und wobei die Drehachse (23) bezogen auf eine Umströmung des Leitschau felblatts (21) in dem Gaskanal (42) in einem vorderen Abschnitt (30) des Leitschaufelblatts (21) angeordnet ist und in einem hinteren Abschnitt (31) eine Deckfläche (32) des Leitschaufelblatts (21) mit einer den Gaskanal (42) begrenzenden Gaskanalwand (22) einen Spalt (33) begrenzt, wobei sich der Spalt (33) in einer Schnittebene (46) betrachtet, die senkrecht zu einer Skelettlinie (45) des Leitschaufelblatts (21) liegt, in zumindest einer Verstellposition des Leitschaufelblatts (21) bzw. der Verstellleitschaufel von der Druckseitenfläche (36) zu der Saugseitenfläche (35) solchermaßen weitet, dass er für eine Spaltströmung (37), die durch einen Druckgradienten zwi schen der Druckseitenfläche (36) und der Saugseitenfläche (35) getrieben wird, einen Diffusor (50) bildet.
Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 1, bei welcher in der Schnittebene (46) betrachtet ein Ausströmquerschnitt (52), den eine der Gaskanalwand (22) zugewandte Kante (35.1) der Saugseitenfläche (35) zusammen mit der Gas kanalwand (22) begrenzt, mindestens das 1,2-Fache eines Einströmquer- schnitts (51) ausmacht, den eine der Gaskanalwand (22) zugewandte Kante (36.1) der Druckseitenfläche (36) zusammen mit der Gaskanalwand (22) begrenzt.
Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 2, bei welcher in der Schnittebene (46) betrachtet der Ausströmquerschnitt (52) höchstens das 2-Fache des Ein- strömquerschnitts (51) ausmacht. 4. Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Gaskanalwand (22) zumindest anteilig den Diffusor (50) bildet, die Gaskanalwand (22) in der Schnittebene (46) betrachtet also mit einer Einwölbung (80) geformt ist.
5. Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Deckfläche (32) des Leitschaufelblatts (21) zumindest anteilig den Diffusor (50) bildet, also in der Schnittebene (46) betrachtet eine der Gaskanalwand (22) zugewandte Kante (35.1) der Saugseitenfläche (35) im Vergleich zu einer der Gaskanalwand (22) zugewandten Kante (36.1) der
Druckseitenfläche (36) angehoben ist.
6. Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 5, bei welcher die Deckfläche
(32) des Leitschäufelblatts (21) in der Schnittebene (46) betrachtet zumindest abschnittsweise einen geradlinigen Verlauf hat.
7. Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher die Deck fläche (32) des Leitschaufelblatts (21) in der Schnittebene (46) betrachtet zu mindest abschnittsweise eine konvexe Krümmung (70) hat.
8. Leitschaufelanordnung (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei welcher die Deckfläche (32) des Leitschaufelblatts (21) in der Schnittebene (46) betrachtet zumindest abschnittsweise eine konkave Krümmung (60) hat. 9. Leitschaufelanordnung (20) nach den Ansprüchen 7 und 8, bei welcher die Deckfläche (32) des Leitschaufelblatts (21) in der Schnittebene (46) betrach tet solchermaßen geformt ist, dass bezogen auf die Spaltströmung (37) ein Abschnitt mit der konkaven Krümmung (60) auf einen Abschnitt mit der konvexen Krümmung (70) folgt. 10. Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Spalt (33) über mindestens 60 % einer entlang der Skelettlinie (45) des Leitschaufelblatts (21) genommenen Spaltlänge den Diffusor (50) bildet.
11 Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Diffusor (50) im gesamten Verstellbereich gebildet wird oder nur in einem Teil davon gebildet wird. 12. Verdichtermodul (laa, lab) mit einer Leitschaufelanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
13. Strömungsmaschine (1), insbesondere Flugtriebwerk, mit einer Leitschaufel anordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einem Verdichter- modul (laa, lab) nach Anspruch 11.
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