Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umströmungsanordnung mit Umströmungsstrukturen
zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine.
Stand der Technik
[0002] Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B.
um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter,
Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom
Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin
verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt
die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Das vom Heißgas durchströmte
Volumen, also der Pfad von der Brennkammer über die Turbine bis zur Düse wird als
"Heißgaskanal" bezeichnet.
[0003] Die vorliegend in Rede stehende Umströmungsanordnung ist zum Anordnen im Heißgaskanal
vorgesehen und weist mehrere Umströmungsstrukturen auf. Davon sind zumindest einige
als Umlenkschaufel ausgebildet, bei anderen handelt es sich bevorzugt um Stützstreben
bzw. entsprechende Verkleidungen. Wie die vorstehende Bezugnahme auf ein Strahltriebwerk
soll dies den vorliegenden Gegenstand illustrieren, zunächst aber nicht in seiner
Allgemeinheit beschränken. Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. auch um eine
stationäre Gas- oder Dampfturbine handeln.
Darstellung der Erfindung
[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders
vorteilhafte Umströmungsanordnung zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine
anzugeben.
[0006] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit der Umströmungsanordnung gemäß Anspruch 1
gelöst. Diese weist eine erste und eine zweite Umströmungsstruktur auf, wobei die
zweite Umströmungsstruktur als Umlenkschaufel vorgesehen ist und eine geringere Profildicke
als die erste Umströmungsstruktur hat, welche saugseitig der zweiten Umströmungsstruktur
angeordnet ist. Ferner sind die Umströmungsstrukturen zwar mit einem teilweisen axialen
Überlapp angeordnet, ist zugleich aber die Hinterkante der zweiten Umströmungsstruktur
gegenüber jener der ersten Umströmungsstruktur axial stromabwärts versetzt. Bildlich
gesprochen werden mit der vorliegenden Umströmungsanordnung zunächst unterschiedliche
Umströmungsstrukturen, die bei einer herkömmlichen Bauform axial aufeinander folgend
in gesonderten Abschnitten vorgesehen sind, ein Stück weit ineinander geschoben (axialer
Überlapp), aber eben nicht vollständig.
[0007] Indem die Hinterkante der zweiten Umströmungsstruktur (im Folgenden auch "dünne Umlenkschaufel")
nach hinten versetzt ist, kann an der Hinterkante der ersten Umströmungsstruktur (im
Folgenden auch "dicke Schaufel") ein Sog erzeugt werden. Damit kann die Strömung von
der Hinterkante der aerodynamisch ungünstigeren dicken Schaufel wegbeschleunigt werden
und lässt sich der Nachlauf verfeinern bzw. vergleichmäßigen, was bspw. schädliche
Sekundärströmungen verringern und auch lärmmindernd wirken kann. Bildlich gesprochen
bewirkt die dünne Umlenkschaufel eine Entlastung und ein glattes Abströmen an der
Hinterkante der dicken Schaufel (Kutta-Bedingung) . Dies kann mit Blick auf die Gleichförmigkeit
der Anströmung zum nachgelagerten Rotor von Vorteil sein bzw. auch den Wirkungsgrad
der Turbine im Gesamten verbessern helfen, bspw. um ca. 0,25 % bis 0,5 %.
[0008] Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten
Beschreibung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen
der Umströmungsanordnung bzw. einer entsprechenden Strömungsmaschine oder zugehörigen
Verwendungen unterschieden wird, jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich
sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
[0009] Jede der Umströmungsstrukturen hat eine Vorder- und eine Hinterkante, dazwischen
erstrecken sich jeweils zwei einander entgegengesetzte Seitenflächen der jeweiligen
Umströmungsstruktur. Die Profildicke wird zwischen den Seitenflächen genommen. Im
Einzelnen erstreckt sich mittig zwischen den Seitenflächen jeweils die Skelettlinie
zwischen Vorder- und Hinterkante der jeweiligen Umströmungsstruktur, und ergibt sich
die Profildicke dann als größter Kreisdurchmesser auf der Skelettlinie (der Kreis
berührt die Seitenflächen, der Mittelpunkt liegt auf der Skelettlinie). Die dünne
Umlenkschaufel kann bspw. eine um mindestens 50 %, 60 %, 70 % bzw. 80 % geringere
Profildicke als die erste Umströmungsstruktur haben, mit möglichen (davon unabhängigen)
Obergrenzen bei bspw. höchstens 99 %, 97 % bzw. 95 % (jeweils in der Reihenfolge der
Nennung zunehmend bevorzugt).
[0010] Soweit generell im Rahmen dieser Offenbarung unterschiedliche Strukturen miteinander
verglichen werden, etwa die Umströmungsstrukturen untereinander oder auch mit anderen
Schaufeln der Turbine (siehe unten), wird die Ausgestaltung der jeweiligen Struktur
in ihrer jeweiligen radialen Mitte zugrunde gelegt. Betrachtet wird also jeweils die
Form in halber Höhe (radial genommen) der entsprechenden Umströmungsstruktur bzw.
der Umlenkschaufel oder des Schaufelblatts. Radial mittig des Gaskanals kann der Einfluss
auf die Strömung am größten sein. Bevorzugt sind die jeweiligen Strukturen aber gleichwohl
über ihre gesamte Höhe relativ zueinander entsprechend ausgestaltet (jedenfalls bei
einem Vergleich in jeweils prozentual gleicher Höhe).
[0011] Generell bezieht sich im Rahmen dieser Offenbarung "axial" auf die Längsachse der
Strömungsmaschine, die bspw. mit einer Drehachse der Rotoren zusammenfällt. "Radial"
betrifft die dazu senkrechten, davon wegweisenden Radialrichtungen, und ein "Umlauf"
bzw. "umlaufend" oder die "Umlaufrichtung" betreffen die Drehung um die Längsachse.
Die erste und die zweite Umströmungsstruktur sind bspw., aufgrund des axialen Überlapps,
auch in Umlaufrichtung aufeinander folgend angeordnet. In anderen Worten meint "axialer"
Überlapp bspw., dass eine Projektion der ersten Umströmungsstruktur radial auf die
Längsachse mit einer Projektion der zweiten Umströmungsstruktur radial auf die Längsachse
einen Überlapp hat.
[0012] "Ein" und "eine" sind im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel und damit
immer auch als "mindestens ein" bzw. "mindestens eine" zu lesen. Über einen vollständigen
Umlauf um die Längsachse kann die Umströmungsanordnung also selbstverständlich eine
Mehrzahl erster und zweiter Umströmungsstrukturen aufweisen, bspw. jeweils mindestens
4, 5 oder 6, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. höchstens 30,
20 bzw. 15. Jeweils untereinander sind die ersten und die zweiten Umströmungsstrukturen
dann bevorzugt baugleich und drehsymmetrisch angeordnet. Wie nachstehend im Einzelnen
deutlich wird, kann es auch dritte und ggf. vierte bzw. auch weitere Umströmungsstrukturen
geben, die dann ebenfalls als dünne Umlenkschaufeln ausgebildet sind. Umlaufend zwischen
zwei dicken Schaufeln kann es also bspw. jeweils mindestens zwei und bevorzugt nicht
mehr als neun, acht, sieben, sechs, fünf, vier bzw. drei dünne Umlenkschaufeln geben.
[0013] In bevorzugter Ausgestaltung ist die erste Umströmungsstruktur als tragende Stützstrebe
oder als Verkleidung, insbesondere als Verkleidung einer tragenden Stützstrebe vorgesehen.
Die Stützstrebe ist ein tragender Bestandteil der Strömungsmaschine, bevorzugt trägt
sie (gemeinsam mit weiteren umlaufend angeordneten Stützstreben) das Lager der Turbinenwelle,
insbesondere der Hochdruckturbinenwelle. Das Lager ist bevorzugt im Turbinenzwischengehäuse
angeordnet, im sog.
Mid Turbine Frame. Die Stützstreben können sich jeweils von dem Lager weg nach radial außen erstrecken
und das Lager so zentriert im Gehäuse halten, gewissermaßen speichenförmig.
[0014] Bevorzugt ist die erste Umströmungsstruktur eine Verkleidung, in der bspw. auch eine
Versorgungsleitung geführt sein kann, bevorzugt ist sie eine Verkleidung einer Stützstrebe,
ist sie also aus aerodynamischen Gründen an das eigentlich tragende Bauteil angesetzt.
Auch in diesem Fall können dann zusätzlich Versorgungsleitungen etc. geführt sein.
Eine solche Verkleidung wird auch als
Fairing bezeichnet. Die tragende Funktion bzw. das Umschließen der Stützstrebe erfordern
eine gewisse Strukturgröße, also große Profildicke. Dies ist aerodynamisch von Nachteil,
was aber durch die Kombination mit der dünnen Umlenkschaufel zumindest teilweise kompensiert
wird.
[0015] Die erste Umströmungsstruktur kann im Allgemeinen auch nicht umlenkend vorgesehen
sein, bevorzugt ist sie mit weniger als 5° schwachumlenkend, hat sie aber keine Wirkung
auf die Strömung (infolge Radienänderung und Drallsatz wird kein Impuls auf die Strömung
übertragen). Der dünnen Umlenkschaufel ist die erste Umströmungsstruktur (dicke Schaufel)
mit ihrer Unterseitenfläche zugewandt. An der Unterseite der dicken Schaufel ist mehr
Umlenkung notwendig, weil ihre Unterseitenfläche infolge der hohen Dicke im Wesentlichen
axial in die Hinterkante läuft, bspw. um nicht mehr als 10 ° bzw. 5 ° zur axialen
Richtung verkippt. Die dünnen Umlenkschaufel erzeugt an der Hinterkante der dicken
Schaufel einmal eine Beschleunigung (Düseneffekt). Weiter wird der Nachlauf von der
Hinterkante "weggesaugt".
[0016] In bevorzugter Ausgestaltung hat die dünne Umlenkschaufel ihre maximale Krümmung
dort, wo sie den axialen Überlapp mit der ersten Umströmungsstruktur hat. Dieses Design
mit einer starken Krümmung ist einer Tragfläche mit ausgefahrener Fowler-Klappe vergleichbar,
was den an der Hinterkante der dicken Schaufel erzeugten Sog weiter erhöht.
[0017] Die Hinterkante ist der dünnen Umlenkschaufel um mindestens das 0,5-fache, weiter
und besonders bevorzugt mindestens 0,7- bzw. 0,9-fache der axialen Länge der Beschaufelung
eines stromabwärts direkt darauffolgend angeordneten Rotors zu der Hinterkante der
ersten Umströmungsstruktur versetzt (axial stromabwärts). Obergrenzen, die im Allgemeinen
auch unabhängig von den Untergrenzen von Interesse sein können, liegen bei höchstens
dem 4-fachen, weiter und besonders bevorzugt höchstens 2,6- bzw. 2,2-fachen. Die "axiale
Länge" ergibt sich als axialer Anteil der Sehnenlänge der Laufschaufeln des Rotors
(sollte dieser mit unterschiedlichen Schaufeln bestückt sein, wird ein über diese
gebildeter Mittelwert betrachtet).
[0018] Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorderkante der dünnen Umlenkschaufel
zu jener der dicken Schaufel axial stromabwärts versetzt. Bevorzugt ist ein Versatz
um mindestens das 0,4-, 0,5- bzw. 0,6-fache der axialen Länge der ersten Umströmungsstruktur
(dicken Schaufel), also des axialen Anteils deren Sehnenlänge. Eine vorteilhafte Obergrenze
liegt (auch davon unabhängig) bei bevorzugt höchstens dem 0,9-fachen.
[0019] Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die dünne Umlenkschaufel eine Sehnenlänge,
die mindestens dem 1-fachen, bevorzugt mindestens dem 1,5-fachen, einer Sehnenlänge
der Beschaufelung des stromabwärts direkt darauffolgend angeordneten Rotors ausmacht.
Sollte dieser mit unterschiedlichen Schaufeln ausgestattet sein, wird wiederum ein
Mittelwert betrachtet. Vorteilhafte Obergrenzen der Sehnenlänge der dünnen Umlenkschaufel
liegen bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens dem 8-, 7-,
6-, 5-, 4-, bzw. 3-fachen der Sehnenlänge des darauffolgenden Rotors. Besonders bevorzugt
ist also eine Sehnenlänge von in etwa dem 2- bis 3-fachen.
[0020] In bevorzugter Ausgestaltung weist die Umströmungsanordnung eine dritte Umströmungsstruktur
auf, die analog der zweiten Umströmungsstruktur als dünne Umlenkschaufel vorgesehen,
zu der zweiten Umströmungsstruktur aber nicht baugleich ist. Die dritte Umströmungsstruktur
ist oberseitig der dicken Schaufel angeordnet (die dicke Schaufel liegt saugseitig
der dritten Umströmungsstruktur). Umlaufend zwischen zwei dicken Schaufeln sind dann
also jeweils mindestens zwei unterschiedliche dünne Umlenkschaufeln vorgesehen. Die
Hinterkante der dritten Umströmungsstruktur ist zu jener der dicken Schaufel bevorzugt
axial stromabwärts versetzt, zu jener der zweiten Umströmungsstruktur ist sie bevorzugt
axial versatzfrei (nicht versetzt), was bevorzugt auch für eine vierte bzw. generell
weitere Umströmungsstrukturen gilt.
[0021] In bevorzugter Ausgestaltung hat die dritte Umströmungsstruktur eine geringere Sehnenlänge
als die zweite Umströmungsstruktur. Wie vorstehend dargelegt, kann an der Unterseite
der ersten Umströmungsstruktur mehr Umlenkung erforderlich sein, was mit der größeren
Sehnenlänge der zweiten Umströmungsstruktur erreicht wird. Sind umlaufend zwischen
zwei ersten Umströmungsstrukturen mehr als zwei unterschiedliche dünne Umlenkschaufeln
vorgesehen, haben diese bevorzugt insgesamt von der Unterseite der einen dicken Schaufel
zur Oberseite der anderen dicken Schaufel eine abnehmende Sehnenlänge. Mit der veränderlichen
Sehnenlänge lässt sich der freie Strömungsquerschnitt so einstellen, dass eine gleichmäßige
Anströmung des darauf folgenden Rotors erreicht wird.
[0022] Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die dritte Umströmungsstruktur eine geringere
Krümmung als die zweite. Es wird also mit einer stärker gekrümmten zweiten Umströmungsstruktur
an der Unterseite der dicken Schaufel mehr Umlenkung erreicht, siehe vorne. Sind umlaufend
zwischen zwei ersten Umströmungsstrukturen mehr als zwei unterschiedliche dünne Umlenkschaufeln
vorgesehen, haben diese bevorzugt insgesamt von der Unterseite der einen dicken Schaufel
zu der Oberseite der anderen dicken Schaufel eine abnehmende Krümmung.
[0023] In bevorzugter Ausgestaltung ist eine weitere dünne Umlenkschaufel vorgesehen (vierte
Umströmungsstruktur), wobei die zweite, dritte und vierte Umströmungsstruktur untereinander
nicht baugleich sind. Die vierte Umströmungsstruktur ist saugseitig der dritten Umströmungsstruktur
angeordnet. Sofern genau drei unterschiedliche dünne Umlenkschaufeln umlaufend zwischen
zwei dicken Schaufeln angeordnet sind, ist auch druckseitig der zweiten Umströmungsstruktur
eine vierte Umströmungsstruktur angeordnet.
[0024] In bevorzugter Ausgestaltung hat die vierte Umströmungsstruktur eine größere Sehnenlänge
als die dritte Umströmungsstruktur oder ist sie stärker gekrümmt, bevorzugt beides.
Bevorzugt nimmt die Sehnenlänge und/oder Krümmung von der dritten Umströmungsstruktur
über die vierte zu der zweiten Umströmungsstruktur zu.
[0025] Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind zwischen zwei ersten Umströmungsstrukturen,
die zueinander in Umlaufrichtung nächstbenachbart sind, mindestens vier Umströmungsstrukturen
angeordnet, die jeweils als Umlenkschaufel ausgebildet sind. Von dieser Untergrenze
unabhängige Obergrenzen können bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt
höchstens zwölf, elf, zehn bzw. neun Umlenkschaufeln liegen. Besonders bevorzugt können
genau vier Umlenkschaufeln sein. Zwischen den zueinander nächstbenachbarten ersten
Umströmungsstrukturen können dann also bevorzugt die zweite, dritte, vierte und eine
fünfte Umströmungsstruktur angeordnet sein, vgl. auch die vorstehende Beschreibung
mit weiteren Detailangaben.
[0026] Soweit generell zwischen zwei ersten Umströmungsstrukturen mehrere Umlenkschaufeln
vorgesehen sind, können letztere zueinander mit ihren Hinterkanten auch versetzt,
also gestaffelt angeordnet sein. Bezogen auf die Umlaufrichtung ist im Allgemeinen
auch eine äquidistante Anordnung der Hinterkanten der Umlenkschaufeln möglich, bevorzugt
kann aber eine nichtäquidistante Anordnung sein.
[0027] Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind zumindest die zwischen den zwei in Umlaufrichtung
nächstbenachbarten ersten Umströmungsstrukturen angeordneten Umlenkschaufeln als Mehrfach-Segment
ausgebildet. Es kann auch die erste Umströmungsstruktur als Teil des Mehrfach-Segments
vorgesehen sein. Andererseits kann aber auch eine Unterteilung dahingehend vorteilhaft
sein, dass lediglich die Umlenkschaufeln in Mehrfach-Segmenten oder auch in einem
Kranz zusammengefasst werden, wobei die ersten Umströmungsstrukturen dann damit zusammengesetzt
werden. Die erste Umströmungsstruktur bzw. -strukturen werden dann also für sich gegossen;
um dann den axialen Überlapp zu realisieren, kann in die Hinterkanten der ersten Umströmungsstrukturen
dann jeweils eine Ausnehmung eingebracht werden, z. B. gefräst werden, in welche dann
das Segment bzw. der Kranz mit den Umlenkschaufeln eingeschoben wird. Die Umströmungsstrukturen
des Mehrfach-Segments bzw. Kranzes sind einstückig miteinander, also nicht zerstörungsfrei
voneinander trennbar, bevorzugt können sie monolithisch ausgebildet sein, insbesondere
aus einem Guss geformt.
[0028] Die Erfindung betrifft auch eine Strömungsmaschine mit einer vorliegend offenbarten
Umströmungsanordnung, diese kann insbesondere im Turbinenzwischengehäuse angeordnet
sein.
[0029] Ebenso betrifft die Erfindung die Verwendung einer vorliegend offenbarten Umströmungsanordnung
in einer Strömungsmaschine, insbesondere einem Flugtriebwerk.
Kurze Beschreibung der Figuren
[0030] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert,
wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer
Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen
zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
[0031] Im Einzelnen zeigt
- Figur 1a
- ein Strahltriebwerk in einem Schnitt;
- Figur 1b
- eine schematische Detailansicht zu Figur 1a;
- Figur 2
- eine erfindungsgemäße Umströmungsanordnung im Turbinenzwischengehäuse des Strahltriebwerks
gemäß Figur 1.
- Figur 3
- die Lage der Teilkanäle mit Beschleunigung (Düse) sowie das Sogfeld der Umlenkschaufeln.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0032] Figur 1a zeigt eine Strömungsmaschine 1 im Schnitt, konkret ein Strahltriebwerk.
Figur 1b zeigt eine schematische Detailansicht dazu, die folgenden Anmerkungen beziehen sich
auf beide Figuren. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine 1 in Verdichter
1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c
sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich in der Regel aus
einem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Die Laufschaufelkränze rotieren
im Betrieb um die Längsachse 2 der Strömungsmaschine 1. Die Turbinenwelle 3 ist in
einem Lager 4 geführt, das von Stützstreben 5 (teils strichliert) in der übrigen Strömungsmaschine
1 gehalten wird. Im Bereich des Heißgaskanals ist jede der Stützstreben 5 aus aerodynamischen
und auch thermischen Gründen ummantelt, nämlich von einer ersten Umströmungsstruktur
6, die eine Verkleidung darstellt und auch als
Fairing bezeichnet wird. Dieser Abschnitt ist ein sog. Turbinenzwischengehäuse. Bei der erfindungsgemäßen
Strömungsmaschine ist dieses integral mit dem darauffolgenden Leitschaufelkranz ausgeführt.
[0033] Figur 2 zeigt einen Teil der erfindungsgemäßen Umströmungsanordnung 20, die in dem Turbinenzwischengehäuse
im Heißgaskanal angeordnet ist. Gezeigt ist ein Schnitt, die Schnittfläche liegt radial
mittig im Heißgaskanal und parallel zur Längsachse 2. Zusätzlich zu den ersten Umströmungsstrukturen
6
(Fairings) sind zweite Umströmungsstrukturen 21 und dritte Umströmungsstrukturen 22 zu erkennen,
die jeweils als Umlenkschaufel mit einer Saugseite (in der Figur oben) und einer Druckseite
(in der Figur unten) ausgebildet sind. Die Profildicke dieser dünnen Umlenkschaufeln
beträgt nur rund 30 % der Profildicke der ersten Umströmungsstrukturen 6 (in der schematischen
Darstellung gemäß Figur 2 sind die dünnen Umlenkschaufeln vereinfacht als Linien ohne
Profildicke wiedergegeben).
[0034] Die Umströmungsstrukturen 6, 21, 22 haben jeweils eine Vorderkante 6a, 21a, 22a und
stromabwärts dazu eine jeweilige Hinterkante 6b, 21b, 22b. Die dünnen Umlenkschaufeln
sind zu den ersten Umströmungsstrukturen 6 zwar axial mit einem Überlapp, dabei aber
auch ein Stück weit versetzt vorgesehen. Die Hinterkanten 21b, 22b der zweiten und
dritten Umströmungsstrukturen 21, 22 sind zu den Hinterkanten 6b der ersten Umströmungsstrukturen
6 axial stromabwärts versetzt. Zudem hat die zweite Umströmungsstruktur 21 ihre stärkste
Krümmung im Bereich des axialen Überlapps mit der ersten Umströmungsstruktur 6. Im
Ergebnis wird damit ein starker Sog erzeugt und die Strömung von der Hinterkante 6b
der aerodynamisch eher ungünstigen ersten Umströmungsstruktur 6 wegbeschleunigt. Der
Nachlauf wird feiner und gleichmäßiger, vgl. auch die Darstellung in der Beschreibungseinleitung.
[0035] An der Unterseite der ersten Umströmungsstruktur 6 (in der Figur unten) muss die
Strömung stärker umgelenkt werden als an der Oberseite, weil die untere Seitenfläche
infolge des größeren Keilwinkels bzw. der großen Dicke im Wesentlichen axial in die
Hinterkante 6b läuft. Deshalb ist die zweite Umströmungsstruktur 21 stärker gekrümmt
als die dritte Umströmungsstruktur 22 und hat sie eine größere Sehnenlänge. Die erste
Umströmungsstruktur 6 ist druckseitig der dritten Umströmungsstruktur 22 angeordnet,
diese drückt die Strömung an der Hinterkante 6b ein Stück weit nach unten und entlastet
so die Hinterkante 6b.
[0036] Figur 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Konfiguration aus Figur 2 mit dem
Sogfeld 23 auf der Oberseite der dünnen Umlenkschaufel 21. Beide Umlenkschaufeln 21,
22 bilden mit der Umströmungsstruktur 6 in ihrem Eintrittsbereich sich verengende
Strömungskanäle 24, 25, die zu einer weiteren Entlastung der Strömung an der Hinterkante
6b führen. Stromab der Hinterkante 6b schließt sich bis zum Engabstand 26 ein weiterer
verengender Strömungskanal an, der zusammen mit der Schaufelkrümmung das Sogfeld erzeugt.
Es werden so Umströmungsstrukturen 6 mit hoher Dicke und Dickenrücklagen x
d/L > 50% möglich, die mehr und größere Versorgungsleitungen und Stützelemente aufnehmen
können. Eine Verringerung von Schaufelzahl, Reibungsverlust und Gewicht wird möglich.
[0037] Die Umströmungsanordnung 20 ist in diesem Beispiel insgesamt (über den gesamten Umlauf)
aus jeweils 9 ersten, zweiten und dritten Umströmungsstrukturen 6, 21, 22 aufgebaut,
weist also 18 dünne Umlenkschaufeln auf. Es könnte auch zusätzlich eine vierte, ebenfalls
als dünne Umlenkschaufel ausgebildete Umströmungsstruktur vorgesehen sein, sodass
also zwischen zwei ersten Umströmungsstrukturen 6 jeweils drei unterschiedliche dünne
Umlenkschaufeln angeordnet wären (in diesem Fall wären insgesamt 27 dünne Umlenkschaufeln
vorgesehen), vgl. auch die Beschreibungseinleitung. Unabhängig davon im Einzelnen
ist ein gruppenweises Zusammenfassen der Umströmungsstrukturen 6, 21, 22 in Mehrfachsegmenten
bevorzugt. In dieser Hinsicht kann der axiale Versatz herstellungstechnisch vorteilhaft
sein bzw. wäre es umgekehrt mitunter erheblich aufwendiger, dieselbe Strömungsführung
an der Hinterkante 6b der ersten Umströmungsstruktur 6 durch eine lang nach hinten
gezogene erste Umströmungsstruktur 6 zu erreichen.
[0038] Der axiale Versatz zwischen den Hinterkanten 21b, 22b der zweiten und dritten Umströmungsstrukturen
21, 22 zu den Hinterkanten 6b der ersten Umströmungsstrukturen 6 entspricht in etwa
1,5 axialen Längen eines darauffolgenden Rotors 30, konkret dessen Beschaufelung 31.
Die beschriebene Verfeinerung und Vergleichmäßigung der Strömung ist auch für den
Betrieb des Rotors 30 vorteilhaft.
BEZUGSZEICHENLISTE
Strömungsmaschine |
1 |
Längsachse (der Strömungsmaschine) |
2 |
Turbinenwelle |
3 |
Lager (der Turbinenwelle) |
4 |
Stützstreben |
5 |
Erste Umströmungsstruktur |
6 |
Vorderkante davon |
6a |
Hinterkante davon |
6b |
Umströmungsanordnung |
20 |
Zweite Umströmungsstruktur |
21 |
Vorderkante davon |
21a |
Hinterkante davon |
21b |
Dritte Umströmungsstruktur |
22 |
Vorderkante davon |
22a |
Hinterkante davon |
22b |
Sogfeld |
23 |
Strömungskanäle |
24, 25 |
Engabstand |
26 |
Rotor |
30 |
Beschaufelung (des Rotors) |
31 |
1. Umströmungsanordnung (20) zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine (1),
mit
einer ersten Umströmungsstruktur (6) und
einer zweiten Umströmungsstruktur (21),
welche Umströmungsstrukturen (6, 21) in Bezug auf die Umströmung in dem Heißgaskanal
jeweils eine Vorderkante (6a, 21a) und stromabwärts dazu eine Hinterkante (6b, 21b)
haben,
wobei die zweite Umströmungsstruktur (21) als Umlenkschaufel mit einer Saugseite und
einer Druckseite vorgesehen ist und eine geringere Profildicke hat als die erste Umströmungsstruktur
(6), welche auf der Saugseite der zweiten Umströmungsstruktur (21) angeordnet ist,
wobei die zweite Umströmungsstruktur (21) bezogen auf eine Längsachse (2) der Strömungsmaschine
(1) mit der ersten Umströmungsstruktur (6) zwar einen teilweisen axialen Überlapp
hat, zugleich aber die Hinterkante (21b) der zweiten Umströmungsstruktur (21) zu der
Hinterkante (6b) der ersten Umströmungsstruktur (6) axial stromabwärts versetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (21b) der zweiten Umströmungsstruktur (21) zu der Hinterkante (6b)
der ersten Umströmungsstruktur (6) um mindestens das 0,5-fache und höchstens das 4,0-fache
einer axialen Länge der Beschaufelung (31) eines Rotors, der dazu bestimmt ist, direkt
auf die Umströmungsanordnung (20) folgend axial stromabwärts angeordnet zu sein, versetzt
ist.
2. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 1, bei welcher die erste Umströmungsstruktur
(6) als tragende Stützstrebe oder Verkleidung einer solchen vorgesehen ist.
3. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die zweite Umströmungsstruktur
(21) eine maximale Krümmung dort hat, wo sie den axialen Überlapp mit der ersten Umströmungsstruktur
(6) hat.
4. Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Vorderkante
(21a) der zweiten Umströmungsstruktur (21) zu der Vorderkante (6a) der ersten Umströmungsstruktur
(6) axial stromabwärts versetzt ist, und zwar um mindestens das 0,4-fache und höchstens
das 0,9-fache einer axialen Länge der ersten Umströmungsstruktur (6).
5. Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die zweite
Umströmungsstruktur (21) eine Sehnenlänge hat, die mindestens dem 1-fachen und höchstens
dem 8-fachen einer Sehnenlänge der Beschaufelung (31) eines Rotors, der dazu bestimmt
ist, direkt auf die Umströmungsanordnung (20) folgend axial stromabwärts angeordnet
zu sein, ausmacht.
6. Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer dritten
Umströmungsstruktur (22), die als Umlenkschaufel mit einer Saugseite und einer Druckseite
vorgesehen ist und eine geringere Profildicke hat als die erste Umströmungsstruktur
(6), dabei aber die zweite und die dritte Umströmungsstruktur (21, 22) unterschiedlich
geformt sind, wobei die erste Umströmungsstruktur (6) auf der Druckseite der dritten
Umströmungsstruktur (22) angeordnet ist.
7. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 6, bei welcher die dritte Umströmungsstruktur
(22) eine geringere Sehnenlänge hat als die zweite Umströmungsstruktur (21).
8. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die dritte Umströmungsstruktur
(22) eine geringere Krümmung hat als die zweite Umströmungsstruktur (21).
9. Umströmungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit einer vierten Umströmungsstruktur,
die als Umlenkschaufel mit einer Saugseite und einer Druckseite vorgesehen ist und
eine geringere Profildicke hat als die erste Umströmungsstruktur (6), dabei aber die
zweite, dritte und vierte Umströmungsstruktur (21, 22) unterschiedlich geformt sind,
wobei die vierte Umströmungsstruktur auf der Saugseite der dritten Umströmungsstruktur
(22) angeordnet ist.
10. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 9, bei welcher die vierte Umströmungsstruktur
eine größere Sehnenlänge und/oder Krümmung hat als die dritte Umströmungsstruktur
(22).
11. Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher umlaufend
zwischen zwei in Umlaufrichtung nächstbenachbarten ersten Umströmungsstrukturen (6)
mindestens zwei und nicht mehr als zwölf jeweils als Umlenkschaufel mit einer Saugseite
und einer Druckseite vorgesehene Umströmungsstrukturen (21, 22) angeordnet sind.
12. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 11, bei welcher zumindest die zwischen den
zwei in Umlaufrichtung nächstbenachbarten ersten Umströmungsstrukturen (6) angeordneten
Umströmungsstrukturen (21, 22) als Mehrfach-Segment ausgebildet sind.
13. Strömungsmaschine (1) mit einer Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden
Ansprüche, insbesondere in einem Turbinenzwischengehäuse angeordnet.
14. Verwendung einer Umströmungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer
Strömungsmaschine (1), insbesondere in einem Flugtriebwerk.
1. Flow bypass arrangement (20) for arranging in the hot gas duct of a turbomachine (1),
comprising a first flow bypass structure (6) and a second flow bypass structure (21),
which flow bypass structures (6, 21) each have, with respect to the bypass flow in
the hot gas duct, a leading edge (6a, 21a) and a trailing edge (6b, 21b) downstream
thereof, the second flow bypass structure (21) being provided as a deflection vane
having a suction side and a pressure side and having a smaller profile thickness than
the first flow bypass structure (6), which is arranged on the suction side of the
second flow bypass structure (21), the second flow bypass structure (21) having a
partial axial overlap with the first flow bypass structure (6) with respect to a longitudinal
axis (2) of the turbomachine (1), but at the same time the trailing edge (21b) of
the second flow bypass structure (21) being offset axially downstream with respect
to the trailing edge (6b) of the first flow bypass structure (6), characterized in that the trailing edge (21b) of the second flow bypass structure (21) is offset with respect
to the trailing edge (6b) of the first flow bypass structure (6) by at least 0.5 times
and at most 4.0 times an axial length of the blading (31) of a rotor which is intended
to be arranged axially downstream directly following the flow bypass arrangement (20).
2. Flow bypass arrangement (20) according to claim 1, wherein the first flow bypass structure
(6) is provided as a load-bearing support strut or fairing of such a strut.
3. Flow bypass arrangement (20) according to either claim 1 or claim 2, wherein the second
flow bypass structure (21) has a maximum curvature where it has the axial overlap
with the first flow bypass structure (6).
4. Flow bypass arrangement (20) according to any of the preceding claims, wherein the
leading edge (21a) of the second flow bypass structure (21) is offset axially downstream
with respect to the leading edge (6a) of the first flow bypass structure (6), specifically
by at least 0.4 times and at most 0.9 times an axial length of the first flow bypass
structure (6).
5. Flow bypass arrangement (20) according to any of the preceding claims, wherein the
second flow bypass structure (21) has a chord length that constitutes at least 1 times
and at most 8 times a chord length of the blading (31) of a rotor which is intended
to be arranged axially downstream directly following the flow bypass arrangement (20).
6. Flow bypass arrangement (20) according to any of the preceding claims, comprising
a third flow bypass structure (22) which is provided as a deflection vane having a
suction side and a pressure side and has a smaller profile thickness than the first
flow bypass structure (6), but the second and the third flow bypass structure (21,
22) are shaped differently, wherein the first flow bypass structure (6) is arranged
on the pressure side of the third flow bypass structure (22).
7. Flow bypass arrangement (20) according to claim 6, wherein the third flow bypass structure
(22) has a shorter chord length than the second flow bypass structure (21).
8. Flow bypass arrangement (20) according to either claim 6 or claim 7, wherein the third
flow bypass structure (22) has a smaller curvature than the second flow bypass structure
(21).
9. Flow bypass arrangement (20) according to any of claims 6 to 8, comprising a fourth
flow bypass structure which is provided as a deflection vane having a suction side
and a pressure side and has a smaller profile thickness than the first flow bypass
structure (6), but the second, third and fourth flow bypass structure (21, 22) are
shaped differently, the fourth flow bypass structure being arranged on the suction
side of the third flow bypass structure (22).
10. Flow bypass arrangement (20) according to claim 9, wherein the fourth flow bypass
structure has a greater chord length and/or curvature than the third flow bypass structure
(22).
11. Flow bypass arrangement (20) according to any of the preceding claims, wherein at
least two and not more than twelve flow bypass structures (21, 22), each provided
as a deflection vane having a suction side and a pressure side, are arranged in terms
of rotation between two first flow bypass structures (6) which are adjacent in the
direction of rotation.
12. Flow bypass arrangement (20) according to claim 11, wherein at least the flow bypass
structures (21, 22) arranged between the two first flow bypass structures (6) that
are adjacent in the direction of rotation are designed as a multiple segments.
13. Turbomachine (1) comprising a flow bypass arrangement (20) according to any of the
preceding claims, in particular arranged in an intermediate turbine housing.
14. Use of a flow bypass arrangement (20) according to any of claims 1 to 12 in a turbomachine
(1), in particular in an aircraft engine.
1. Dispositif d'écoulement environnant (20) destiné à être disposé dans le conduit de
gaz chaud d'une turbomachine (1), comportant une première structure d'écoulement environnant
(6) et une deuxième structure d'écoulement environnant (21), lesquelles structures
d'écoulement environnant (6, 21) comportent chacune un bord d'attaque (6a, 21a) par
rapport à l'écoulement autour dans le conduit de gaz chaud et, en aval de ceux-ci,
comportent un bord de fuite (6b, 21b), dans lequel la deuxième structure d'écoulement
environnant (21) est réalisée sous la forme d'une aube de déviation ayant un côté
aspiration et un côté refoulement et ayant une épaisseur de profil inférieure à celle
de la première structure d'écoulement environnant (6) qui est disposée sur le côté
aspiration de la deuxième structure d'écoulement environnant (21), dans lequel la
deuxième structure d'écoulement (21) présente un chevauchement axial partiel avec
la première structure d'écoulement environnant (6) par rapport à un axe longitudinal
(2) de la turbomachine (1), mais en même temps le bord de fuite (21b) de la deuxième
structure d'écoulement environnant (21) est décalé axialement en aval du bord de fuite
(6b) de la première structure d'écoulement environnant (6), caractérisé en ce que le bord de fuite (21b) de la deuxième structure d'écoulement environnant (21) est
décalé par rapport au bord de fuite (6b) de la première structure d'écoulement environnant
(6) d'au moins 0,5 fois et d'au plus 4,0 fois une longueur axiale de l'aubage (31)
d'un rotor qui est destiné à être disposé axialement en aval directement à la suite
du dispositif d'écoulement environnant (20).
2. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon la revendication 1, dans lequel la
première structure d'écoulement environnant (6) est réalisée sous la forme d'une entretoise
de support ou d'un revêtement d'une telle entretoise.
3. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel
la deuxième structure d'écoulement environnant (21) présente une courbure maximale
à l'emplacement où elle présente le chevauchement axial avec la première structure
d'écoulement environnant (6).
4. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon l'une des revendications précédentes,
dans lequel le bord d'attaque (21a) de la deuxième structure d'écoulement environnant
(21) est décalée axialement en aval du bord d'attaque (6a) de la première structure
d'écoulement environnant (6) d'au moins 0,4 fois et d'au plus 0,9 fois une longueur
axiale de la première structure d'écoulement environnant (6).
5. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon l'une des revendications précédentes,
dans lequel la deuxième structure d'écoulement environnant (21) a une longueur de
corde qui est au moins 1 fois et au plus 8 fois une longueur de corde de l'aubage
(31) d'un rotor destiné à être disposé axialement en aval directement à la suite du
dispositif d'écoulement environnant (20).
6. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon l'une des revendications précédentes,
comprenant une troisième structure d'écoulement environnant (22) qui est réalisée
sous la forme d'une aube de déviation ayant un côté aspiration et un côté refoulement
et qui a une épaisseur de profil inférieure à celle de la première structure d'écoulement
environnant (6), mais les deuxième et troisième structures d'écoulement environnant
(21, 22) sont de formes différentes, dans lequel la première structure d'écoulement
environnant (6) est disposée sur le côté refoulement de la troisième structure d'écoulement
environnant (22).
7. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon la revendication 6, dans lequel le
troisième dispositif d'écoulement environnant (22) a une longueur de corde inférieure
à celle de la deuxième structure d'écoulement environnant (21).
8. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel
la troisième structure d'écoulement environnant (22) a une courbure inférieure à celle
de la deuxième structure d'écoulement environnant (21).
9. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon l'une des revendications 6 à 8, comprenant
une quatrième structure d'écoulement environnant qui est réalisée sous la forme d'une
aube de déviation ayant un côté aspiration et un côté refoulement et qui a une épaisseur
de profil inférieure à celle de la première structure d'écoulement environnant (6),
mais les deuxième, troisième et quatrième structures d'écoulement environnant (21,
22) sont de formes différentes, dans lequel la quatrième structure d'écoulement environnant
est disposée sur le côté aspiration de la troisième structure d'écoulement environnant
(22).
10. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon la revendication 9, dans lequel la
quatrième structure d'écoulement environnant a une longueur de corde et/ou une courbure
supérieures à celles de la troisième structure d'écoulement environnant (22).
11. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon l'une des revendications précédentes,
dans lequel au moins deux et pas plus de douze structures d'écoulement environnant
(21, 22), réalisées chacune sous la forme d'une aube de déviation ayant un côté aspiration
et un côté refoulement, sont disposées de manière circonférentielle entre deux premières
structures d'écoulement environnant (6) qui sont directement adjacentes dans la direction
circonférentielle.
12. Dispositif d'écoulement environnant (20) selon la revendication 11, dans lequel au
moins les structures d'écoulement environnant (21, 22), disposées entre les deux premières
structures d'écoulement environnant (6) directement adjacentes dans la direction circonférentielle,
sont réalisées sous forme de segments multiples.
13. Turbomachine (1) comportant un dispositif d'écoulement environnant (20) selon l'une
des revendications précédentes, en particulier disposé dans un carter intermédiaire
de turbine.
14. Utilisation d'un dispositif d'écoulement environnant (20) selon l'une des revendications
1 à 12 dans une turbomachine (1), en particulier dans un moteur d'avion.