UMSTRÖMUNGSANORDNUNG, ZUGEHÖRIGE STRÖMUNGSMASCHINE UND VERWENDUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine 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, und 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.

Beschreibung

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

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Umströmungsanordnung zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine anzugeben.

[0005] 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.

[0006] 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 %.

[0007] 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.

[0008] 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).

[0009] 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).

[0010] 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.

[0011] "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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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".

[0015] 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.

[0016] Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hinterkante 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). Bevorzugte 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).

[0017] 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. Vorteilhafte Obergrenzen liegen (auch davon unabhängig) bei bevorzugt höchstens dem 1,2-fachen, besonders bevorzugt höchstens 0,9-fachen.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] 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.

[0025] 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.

[0026] 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 MehrfachSegmenten 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.

[0027] Die Erfindung betrifft auch eine Strömungsmaschine mit einer vorliegend offenbarten Umströmungsanordnung, diese kann insbesondere im Turbinenzwischengehäuse angeordnet sein.

[0028] Ebenso betrifft die Erfindung die Verwendung einer vorliegend offenbarten Umströmungsanordnung in einer Strömungsmaschine, insbesondere einem Flugtriebwerk.

Kurze Beschreibung der Figuren

[0029] 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.

[0030] 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

[0031] 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.

[0032] 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).

[0033] 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.

[0034] 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.

[0035] 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.

[0036] 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.

[0037] 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

[0038] 

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

Ansprüche

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,

und 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.

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 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 stromabwärts direkt darauffolgend angeordneten Rotors (30) axial stromabwärts versetzt ist.

5. 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 1,2-fache einer axialen Länge der ersten Umströmungsstruktur (6).

6. 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 stromabwärts direkt darauffolgend angeordneten Rotors (30) ausmacht.

7. 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.

8. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 7, bei welcher die dritte Umströmungsstruktur (22) eine geringere Sehnenlänge hat als die zweite Umströmungsstruktur (21).

9. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher die dritte Umströmungsstruktur (22) eine geringere Krümmung hat als die zweite Umströmungsstruktur (21).

10. Umströmungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 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.

11. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 10, bei welcher die vierte Umströmungsstruktur eine größere Sehnenlänge und/oder Krümmung hat als die dritte Umströmungsstruktur (22).

12. 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.

13. Umströmungsanordnung (20) nach Anspruch 12, bei welcher zumindest die zwischen den zwei in Umlaufrichtung nächstbenachbarten ersten Umströmungsstrukturen (6) angeordneten Umströmungsstrukturen (21, 22) als Mehrfach-Segment ausgebildet sind.

14. Strömungsmaschine (1) mit einer Umströmungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere in einem Turbinenzwischengehäuse angeordnet.

15. Verwendung einer Umströmungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Strömungsmaschine (1), insbesondere in einem Flugtriebwerk.

Zeichnung