VERDICHTER MIT VERSTELLSTATORSCHAUFELN UND DRAINAGE EINER LECKAGESTRÖMUNG

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Verdichter. Stand der Technik

Verstellbare Statorschaufeln bzw. Schaufeln sind üblicherweise auf einem Verstellteller, dem Penny, platziert. Dieser ist in die Nabenkontur bzw. in eine Verstelltelleraussparung der Strömungsmaschine bzw. des Verdichters eingelassen. Aufgrund der Verstellbarkeit existiert ein Spalt (Penny-Spalt) bzw. Zwischenraum zwischen dem Verstellteller und der

Nabenkontur bzw. der Innenwand, wodurch es zu einer von der Leitschaufeidruckseite zur Leitschaufelsaugseite gerichteten Strömung innerhalb dieser Verstelltelleraussparung kommt. Dabei tritt die Strömung auf der Druckseite der Schaufel in die Verstelltelleraussparung ein, strömt innerhalb der Verstelltelleraussparung unter der Schaufel in Richtung Saugseite und verlässt die Verstelltelleraussparung auf der Leitschaufelsaugseite in radialer Richtung.

Die radiale Einströmung von Fluid aus der Verstelltelleraussparung in den Ringraum auf der Schaufelsaugseite führt zu großen verlustbehafteten Effekten. Durch die Interaktion der Verstelltelleraussparungen-Einströmung mit der Hauptströmung kommt es zur Ausbildung eines Verstelltelleraussparungenwirbels sowie eines lokalen Geschwindigkeitsdefekts. Dies hat negative Auswirkungen auf die Performance der Schaufel hinsichtlich deren aerodynamischer Stabilität sowie deren Wirkungsgrad.

Offenbarung der Erfindurig

Bestätigungskopie Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen Verdichter aufzuzeigen, bei dem Leistungsverluste durch die Verstelltelleraussparung minimiert sind. Diese Aufgabe wird durch einem Verdichter gemäß Anspruch 1 gelöst.

Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Verdichter umfassend einen Stator mit mindestens einer Schaufel und einen Rotor gelöst, wobei sich die Schaufel des Stators in einem Ringraum befindet, wobei der Ringraum durch einen Innenwand und eine Gehäusewand begrenzt ist, wobei die Schaufel mittels eines in einer Aussparung der Innenwand angeordneten ersten Verstelltellers und eines in einer Aussparung der Gehäusewand angeordneten zweiten Verstelltellers verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Strömungskanal in dem ersten Verstellteller derart ausgebildet ist, dass Fluid aus einem Zwischenraum zwischen dem ersten Verstellteller und der Innenwand durch den ersten Verstellteller zu einem ersten Auslass strömt, wobei sich der erste Auslass außerhalb des Zwischenraums zwischen dem ersten Verstellteller und der Innenwand befindet, und/oder dass ein zweiter Strömungskanal in dem zweiten Verstellteller derart ausgebildet ist, dass Fluid aus einem Zwischenraum zwischen dem zweiten Verstellteller und der Gehäusewand durch den zweiten Verstellteller zu einem zweiten Auslass strömt, wobei sich der zweite Auslass außerhalb des Zwischenraums zwischen dem zweiten Verstellteller und der Gehäusewand befindet.

Ein Vorteil hiervon ist, dass ein „unkontrolliertes“ Einströmen von Fluid aus der Verstelltelleraussparung in den Ringraum entgegengewirkt wird, indem der Verstelltelleraussparungströmung ein alternativer Strömungspfad bzw. Strömungskanal zur Verfügung gestellt wird, welcher aufgrund des größeren Druckgefälles vorrangig durchströmt wird. Durch eine geeignete Gestaltung des Strömungspfades bzw. Strömungskanals kann ein gerichtetes Einströmen des Verstelltelleraussparungfluids in den Ringraum erzielt werden, sodass zum einen die Mischungsverluste innerhalb der Schaufel verringert sowie die radiale Verteilung der Schaufelabströmung homogenisiert wird. Letzteres hat positive Auswirkungen auf stromabgelegene Schaufelreihen. Darüber hinaus kann die Gestaltung des Strömungspfades bzw. Strömungskanals so erfolgen, dass eine gezielte Beeinflussung stabilitätslimitierender Effekte, wie beispielsweise der Eckenablösung oder der Teilspaltströmung, ermöglicht wird. Somit sind die Leistungsverluste durch die Verstelltelleraussparung stark verringert bzw. minimiert und der Wirkungsgrad bleibt hoch. Zudem ist die aerodynamische Stabilität nicht negativ beeinträchtigt. Der Druck an dem Auslass ist typischerweise niedriger als der Druck an dem Übergang von der Verstelltelleraussparung, in der der Verstellteller angeordnet ist, zu dem Ringraum, so dass das Fluid bevorzugt durch den Strömungskanal strömt. Darüber hinaus können die Verstelltelleraussparungenwirbel stark vermindert werden.

Gemäß einer Ausführungsform befindet sich der erste Auslass des ersten Strömungskanals und/oder der zweite Auslass des zweiten Strömungskarials auf einer dem Ringraum zugewandten Oberfläche der Schaufel. Vorteilhaft hieran ist, dass eine Energetisierung der Profilgrenzschicht auf der Oberfläche der Schaufel erzielt werden kann, so dass beispielsweise Ablösungen gezielt beeinflusst werden. Hierdurch können die Leistungsverluste durch die Verstelltelleraussparung weiter verringert werden.

Gemäß einer Ausführungsform sind der erste Strömungskanal und/oder der zweite Strömungskanal derart angeordnet, dass das aus dem ersten Auslass und/oder zweiten Auslass strömende Fluid in einem Winkel von weniger als ca. 30°, insbesondere weniger als ca. 15°, vorzugsweise im Wesentlichen parallel, zu der Hauptströmungsrichtung des Fluids in dem Ringraum und/oder tangential zur Innenwand bzw. Gehäusewand in dem Ringraum strömt. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Strömung des Fluids, das nicht durch die Verstelltelleraussparung strömt, möglichst wenig beeinflusst wird. Somit werden Leistungsverluste noch stärker verringert.

Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Auslass des ersten Strömungskanals auf einer Oberfläche des ersten Verstelltellers und/oder der zweite Auslass des zweiten Strömungskanals auf einer Oberfläche des zweiten Verstelltellers angeordnet. Vorteilhaft hieran ist, dass die Schaufel technisch besonders einfach ausgebildet sein kann, da die Schaufel keinen Teil des Strömungskanals aufweist. Zudem kann die Strömung des Fluids aus dem Auslass zur gezielten Beeinflussung des Eckenwirbels eingesetzt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Auslass und/oder der zweite Auslass derart auf einer Oberfläche der Schaufel angeordnet, dass das aus dem ersten Auslass und/oder dem zweiten Auslass austretende Fluid in einen Spalt zwischen der Schaufel und der Innenwand und/oder in einen Spalt zwischen der Schaufel und der Gehäusewand strömt. Ein Vorteil hiervon ist, dass der negative Einfluss der Teilspaltströmung bzw. der Strömung des Fluids durch den Spalt technisch einfach verringert werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Strömungskanal und/oder der zweite Strömungskanal im Wesentlichen geradlinig ausgebildet. Vorteilhaft hieran ist, dass der jeweilige Strömungskanal technisch besonders einfach herstellbar ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Verstellteller mit dem ersten Strömungskanal einstückig und/oder der zweite Verstellteller mit dem zweiten Strömungskanal einstückig additiv gefertigt. Ein Vorteil hiervon ist, dass der Strömungskanal im Wesentlichen beliebig gestaltet sein kann. Hierdurch können die Leistungsverluste/Druckverluste besonders stark verringert werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Einlass des _. ersten Strömungskanals entlang der Hauptströmungsrichtung des Fluids vor einem Zapfen des ersten Verstelltellers und/oder der Einlass des zweiten Strömungskanals entlang der Hauptströmungsrichtung des Fluids vor einem Zapfen des zweiten Verstelltellers angeordnet. Vorteilhaft hieran ist, dass der Druckgradient zwischen Einlass und Auslass besonders groß sein kann, so dass die Leistungsverluste noch stärker verringert werden. Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Strömungskanal und/oder der zweite

Strömungskanal zumindest teilweise senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Fluids ausgerichtet. Vorteilhaft hieran ist, dass das Fluid in dem ersten Strömungskanal bzw. zweiten Strömungskanal besonders effektiv geführt werden kann, so dass die Leistungsverluste besonders stark vermindert werden. Zudem kann der jeweilige Strömungskanal besonders kurz ausgebildet sein. Gemäß einer Ausfuhrungsform sind der erste Auslass des ersten Strömungskanal und der zweite Auslass des zweiten Strömungskanals symmetrisch zueinander bezüglich einer Mittelebene angeordnet, wobei die Mittelebene in Hauptströmungsrichtung des Fluids durch einen Mittelpunkt zwischen der Innenwand und der Gehäusewand verläuft. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Fluid symmetrisch bezüglich des Ringraums aus den Auslässen austritt. Hierdurch können die Verstelltelleraussparungenwirbel noch weiter verringert werden.

Im Allgemeinen kann sich die Absaugstelle bzw. der Einlass an einer beliebigen Stelle innerhalb der Verstelltelleraussparung bzw. des Pennyspalts bzw. des Zwischenraums · befinden, wenn der Druckunterschied zwischen dem Einlass bzw. der Absaugstelle und dem Auslass derart groß ist, dass Fluid aus der Verstelltelleraussparung bzw. dem Pennyspalt bzw. dem Zwischenraum abgesaugt wird und zu dem Auslass strömt.

Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Teils einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Strömungsmaschine aus Fig. 1 entlang der Linie II-II;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Strömungsmaschine aus Fig. 3 entlang der Linie

IV-IV; Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Teils einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine; und

Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Strömungsmaschine aus Fig. 5 entlang der Linie VI-VI.

Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet. Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine. Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Strömungsmaschine aus Fig. 1 entlang der Linie II-II.

Die Strömungsmaschine kann ein Verdichter sein. Die Strömungsmaschine kann ein Hochdruckverdichter oder Niederdruckverdichter sein. Die Strömungsmaschine kann Teil eines Triebwerks für ein Flugzeug sein.

Die Pfeile im Strömungskanal 60, 70 und die aus dem Strömungskanal 60, 70 herauskommenden Pfeile in den Figuren deuten jeweils die Strömungsrichtung des Fluids an.

Die Strömungsmaschine umfasst einen Rotor und einen Stator mit mindestens einer Schaufel 32 bzw. Statorschaufel. Der Stator weist eine Schaufel 32 bzw. Statorschaufel auf, die sich in einem Ringraum 20, der radial nach innen von einer Innenwand 21 und radial nach außen von einer Gehäusewand 24 begrenzt wird, befindet.

Die Innenwand 21 kann einen Innenring 28 aufweisen. Der Innenring 28 kann radial und/oder axial segmentiert ausgebildet sein, z.B. zwei Hälften bzw. halbkreisförmige Segmente umfassen. Der Innenring 28 kann mit einem Dichtungsträger 29 verbunden sein, wobei der Dichtungsträger 29 den Innenring 28 teilweise umschließt. Der Dichtungsträger 29 kann ebenfalls radial und/oder axial segmentiert ausgebildet sein, z.B. zwei Hälften bzw. halbkreisförmige Segmente umfassen. Der Innenring 28 weist eine Buchse 27 auf, in der der Zapfen des ersten Verstelltellers 41 drehbar bzw. verstellbar gelagert ist. Der Innenring 28 kann in Umfangsrichtung in den Dichtungsträger 29 derart eingeschoben sein, dass der Innenring 28 teilweise in dem Dichtungsträger 29 aufgenommen ist. Mit dem Dichtungsträger 29 können auf einer dem Innenring 28 abgewandten Seite Einlaufdichtungen (nicht gezeigt) verbunden sein. Die Einlaufdichtungen sind zur Ausbildung eines Dichtspalts zwischen Dichtspitzen einer rotierenden Welle der Strömungsmaschine ausgebildet. Die rotierende Welle ist mit dem Rotor bzw. den Rotorschaufeln verbunden. Die Einlaufdichtungen können in Umfangsrichtung segmentiert ausgebildet sein.

Der Rotor und der Stator bilden eine Verdichterstufe. Die Strömungsmaschine kann mehrere Verdichterstufen aufweisen, d.h. abwechselnd einen Rotor und einen Stator.

Die Schaufel 32 ist um eine Verstellachse verstellbar bzw. drehbar. Hierfür sind ein erster Verstellteller 40 mit einem Zapfen 41, wobei der erste Verstellteller 40 (englisch: Penny) in einer Verstelltelleraussparung 22 der Innenwand 21 bzw. des Innenrings 28 angeordnet ist, und ein zweiter Verstellteller 45 mit einem Zapfen 46, wobei der zweite Verstellteller 45 in _. einer Verstelltelleraussparung 26 der Gehäusewand 24 arigeordnet ist, vorhanden. Zwischen dem ersten Verstellteller 40 und der Innenwand 21 ist ein Zwischenraum 50 und zwischen dem zweiten Verstellteller 45 und der Gehäusewand 24 ist ein Zwischenraum 52 vorhanden.

Da auf der Druckseite 95 (rechts von der Schaufel 32 in Fig. 2) ein höherer Druck vorhanden ist als auf der Saugseite 90 (links von der Schaufel 32 in Fig. 2), strömt das Fluid bzw. die Luft durch den jeweiligen Zwischenraum 50, 52 von der Druckseite 95 auf die Säugseite 90. Um diesen Fluidstrom zu verringern bzw. zu vermeiden, weist der erste Verstellteller 40 und/oder der zweite Verstellteller 45 jeweils einen Strömungskanal 60, 70 auf, der sich jeweils durch den Verstellteller 40, 45 erstreckt.

Der jeweilige Strömungskanal 60, 70 weist einen Einlass 62, 72, und einen Auslass auf. Der Strömungskanal 60, 70 fluidverbindet den jeweiligen Zwischenraum 50, 52 mit einer Stelle außerhalb des Zwischenraums 50, 52 bzw. außerhalb der Verstelltelleraussparung 22, 26, wobei die Stelle einen geringeren Druck als der Einlass 62, 72 und einen geringeren Druck als die Stelle, an der die Verstelltelleraussparung 22, 26 auf der Saugseite 90 in den Ringraum 20 übergeht, aufweist. Auf diese Weise wird die Strömung des Fluids von der Druckseite 95 durch den Zwischenraum 50, 52 auf die Saugseite 90 am Ende des Zwischenraums 50, 52 vermindert oder sogar im Wesentlichen verhindert. Das Fluid strömt stattdessen (hauptsächlich) von dem Zwischenraum 50, 52 in den Einlass 62, 72 des jeweiligen Strömungskanals 60, 70 und dann zu dem jeweiligen Auslass 64, 74. Die Hauptströmungsrichtung 80 des Fluids im Ringraum 20 ist von links nach rechts in Fig.

1. Die Winkelausrichtung der Strömungskanäle ist in Fig. 1 nicht vollständig zutreffend dargestellt, sondern zeigt nur das Prinzip. Der Strömungskanal 60, 70 ist jeweils derart ausgebildet, dass das Fluid den Auslass 64, 74 (auch Ausblasung genannt) in eine Richtung verlässt, die einen Winkel kleiner 60°, insbesondere kleiner 45°, vorzugsweise kleiner als ca. 30°, z.B. 15°, in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung 80 bildet. Der Winkel kann entsprechend angepasst werden bzw. sein. Denkbar ist auch, dass das Fluid den Auslass 64,

74 des jeweiligen Strömungskanals 60, 70 in einer Richtung verlässt, die im Wesentlichen der Hauptströmungsrichtung 80 des Fluids entspricht. In dem in Fig. 2 gezeigten Querschnitt verläuft der Strömungskanal 60, 70 jeweils von oben nach unten bzw. umgekehrt.

Der Auslass 64, 74 befindet sich auf Höhe der Schaufel 32. Der Auslass 64, 74 kann sich auf Höhe der Drehachse bzw. Verstellachse der Schaufel 32 befinden.

Die Auslässe 64, 74 befinden sich somit jeweils auf einer dem Ringraum 20 zugewandten Oberfläche des Verstelltellers 40, 45. Das Fluid kann den jeweiligen Auslass 64, 74 in einer Richtung verlassen, die im Wesentlichen tangential zur Oberfläche des Verstelltellers 40, 45 verläuft. Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine. Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht der Strömungsmaschine aus Fig. 3 entlang der Linie IV-IV. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der jeweilige Strömungskanal 60, 70 nicht nur in dem jeweiligen Verstellteller 40, 45 ausgebildet ist, sondern auch in der Schaufel 32. Der erste Strömungskanal 60 und/oder der zweite Strömungskanal 70 verlaufen jeweils durch den ersten Verstellteller 40 bzw. den zweiten Verstellteller 45 und durch die Schaufel 32 bzw. einen Teil der Schaufel.32. Zudem zeigt der jeweilige Auslass 64, 74 in Richtung der Hauptströmungsrichtung 80. Das Fluid, das aufgrund des Druckunterschieds zwischen Einlass 62, 72 und Auslass 64, 74, der höher ist als der Druckunterschied zwischen dem Einlass 62, 72 und dem Übergang zwischen der Verstelltelleraussparung 22, 26 und dem Ringraum 20 auf der linken Seite in Fig. 4, durch den jeweiligen Strömungskanal 60, 70 geströmt ist, strömt in Richtung der Hauptströmungsrichtung 80 aus dem Auslass 64, 74 auf der Saugseite 90 der Schaufel 32 aus.

Der Auslass 64, 74 des jeweiligen Strömungskanals 60, 70 befindet sich auf der Oberfläche der Schaufel 32 bzw. der Schaufeloberfläche. Die Strömungsrichtung des Fluids aus dem jeweiligen Auslass 64, 74 verläuft bevorzugt tangential zur Profiloberfläche der Schaufel 32.

Die beiden Auslässe 64, 74 sind symmetrisch bezüglich einer Mittelebene, die mittig zwischen Innenwand 21 und Gehäusewand 24 und parallel zu diesen verläuft, angeordnet.

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine. Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht der Strömungsmaschine aus Fig. 5 entlang der Linie VI- VI.

Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass der erste Auslass 64 des ersten Strömungskanals 60 und der zweite Auslass 74 des zweiten Strömungskanals 70 jeweils in einem Spalt 34, 35 zwischen der Schaufel 32 und der Innenwand 21 bzw. der Gehäusewand 24 angeordnet ist.

Zwischen einem Teil der Schaufel 32 und der Innenwand 21 bzw. der Gehäusewand 24 ist jeweils ein Spalt 34, 35 vorhanden, um einen Kontakt zwischen Schaufel 32 und Innenwand 21 bzw. Gehäusewand 24 bei einem Verdrehen bzw. Verstellen der Ausrichtung der Schaufel 32 zu verhindern. Die Auslässe 64, 74 sind derart angeördnet, dass das aus den Auslässen 64, 74 austretende Fluid in den jeweiligen Spalt 34, 35 eintritt. Die Richtung des aus den Auslässen 64, 74 austretenden Fluids ist parallel zu der Hauptströmungsrichtung 80. Der Auslass 64, 74 des jeweiligen Strömungskanals 60, 70 befindet sich auf einer der Hauptströmungsrichtung 80 abgewandten Fläche der Schaufel 32.

Auf diese Weise werden Teilspaltströmungen verringert. Hierdurch werden Leistungsverluste durch die Verstellteraussparungen 22, 26 noch weiter verringert.

Bezugszeichenliste

20 Ringraum

21 Innenwand

22 Verstelltelleraussparung in der Innenwand

24 Gehäusewand

26 Verstelltelleraussparung in der Gehäusewand

27 Buchse

28 Innenring

29 Dichtungsträger

32 Schaufel des Stators

34 Spalt zwischen Schaufel und Innenwand

35 Spalt zwischen Schaufel und Gehäusewand

40 erster Verstellteller

41 Zapfen des ersten Verstelltellers

45 zweiter Verstellteller 46 Zapfen des zweiten Verstelltellers

50 Zwischenraum zwischen dem ersten Verstellteller und der Innenwand 52 Zwischenraum zwischen dem zweiten Verstellteller und der Gehäusewand

60 erster Strömungskanal 62 Einlass des ersten Strömungskanals

64 Auslass des ersten Strömungskanals

70 zweiter Strömungskanal

72 Einlass des zweiten Strömungskanals

74 Auslass des zweiten Strömungskanals 80 Haüptströmungsrichtung

90 Saugseite

95 Druckseite