LUXENBURGER, Gerd (Ostpreussenstrasse 27, Olching, 82140, DE)
Patentansprüche
1. Strömungsstruktur für einen Turboverdichter, insbesondere für einen Verdichter einer Gasturbine, mit mindestens einer Ringkammer (18), die konzentrisch zu einer Achse des Turboverdichters im Bereich von freien Schaufelenden (14) eines Schaufelkranzes (11) angeordnet ist und die radial an einen Hauptströmungskanal angrenzt, wobei in der Ringkammer (18) in Umfangrichtung voneinander beabstandete Leitelemente (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ringkammer (18) in Umfangrichtung aus mehreren Segmenten (19) zusammensetzt, wobei jedes Segment (19) ein einziges Leitelement (20) aufweist.
2. Strömungsstruktur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (19) mit einem in Durchströmungsrichtung des Turboverdichters gesehen stromaufwärtigen Vorsprung (21) in eine erste Nut (22) eines Gehäuses eingreifen, und dass die Segmente mit einem in Durchströmungsrichtung des Turboverdichters gesehen stromabwärtigen Vorsprung (23) in eine zweite Nut (24) des Gehäuses eingreifen.
3. Strömungsstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nut (22) sich in Axialrichtung des Turboverdichters erstreckt und eine andere Nut (24) gegenüber der Axialrichtung des Turboverdichters schräg gestellt ist.
4. Strömungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (19) durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt sind.
5. Strömungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (19) in Umfangsrichtung formschlüssig aneinander grenzen und/oder stoffschlüssig verbunden sind, z.B. mittels Kleben, Löten oder Schweißen.
6. Strömungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (19) aus Metall, Kunststoff, Keramik und/oder Verbundwerkstoff, insbesondere mit Faserverstärkung, bestehen.
7. Turbo Verdichter, mit mindestens einer Strömungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Flugtriebwerk, mit einem Turbo Verdichter nach Anspruch 7.
9. Stationäre Gasturbine, mit einem Turboverdichter nach Anspruch 7. |
Strömungsstruktur für einen Turboverdichter
Die Erfindung betrifft eine Strömungsstruktur für einen Turboverdichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung einen Turboverdichter sowie ein Flugtriebwerk und eine stationäre Gasturbine.
Strömungsstrukturen bzw. Zirkulationsstrukturen für Turboverdichter sind in Form sogenannter "Casing Treatments" und "Hub Treatments" bekannt. Die "Casing Treatments" und "Hub Treatments" genannten Strömungsstrukturen haben primär die Aufgabe, den aerodynamisch stabilen Betriebsbereich des Verdichters durch eine Optimierung des Pumpgrenzabstandes zu erhöhen. Ein optimierter Pumpgrenzabstand ermöglicht höhere Verdichterdrücke und somit eine höhere Verdichterbelastung. Die für einen örtlichen Strömungsabriss und letztendlich für das Pumpen des Verdichters verantwortlichen Störungen treten an ge- häuseseitigen Enden der Laufschaufeln einer bzw. mehrerer Verdichterstufen bzw. an den nabenseitigen, radial innenliegenden Enden der Leitschaufeln auf, da in diesen Bereichen die aerodynamische Belastung im Verdichter am höchsten ist. Durch Strömungsstrukturen bzw. Zirkulationsstrukturen wird die Strömung im Bereich der Schaufelenden stabilisiert. Dabei erlauben derartige Zirkulationsstrukturen einerseits eine Strömung in axialer Richtung und andererseits einen Strömungsdurchtritt in Umfangsrichtung. Strömungsstrukturen im Bereich der gehäuseseitigen Enden der Laufschaufeln bezeichnet man als "Casing Treatments", Strömungsstrukturen im Bereich der nabenseitigen Enden der Leitschaufeln bezeichnet man als "Hub Treatments".
Die US 5,282,718 offenbart ein "Casing Treatment" mit in einer Ringkammer angeordneten Leitelementen. Das aus diesem Stand der Technik bekannte "Casing Treatment" verfügt über eine Struktur, bei welchem an einem ringförmigen Träger mehrere Leitelemente ausgebildet sind. Die Herstellung einer solchen Strömungsstruktur kann nur durch Fräsen oder unter Verwendung einer verlorenen Gussform erfolgen und ist daher aufwendig und teuer. Es besteht daher Bedarf an einer Strömungsstruktur, die kostengünstiger und einfacher hergestellt werden kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartige Strömungsstruktur für einen Turboverdichter zu schaffen. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Strömungsstruktur für einen Turboverdichter durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
Erfindungsgemäß setzt sich die Ringkammer in Umfangrichtung aus mehreren Segmenten zusammen, wobei jedes Segment ein einziges Leitelement aufweist.
Bedingt dadurch, dass jedes Segment der Strömungsstruktur ausschließlich ein einziges Leitelement aufweist, können dieselben mit geringem Aufwand z. B. unter Verwendung einer Dauergussform oder durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter in Axialbauweise im Bereich einer erfindungsgemäßen, gehäuseseitigen Strömungsstruktur; und Fig. 2: ein Segment der Strömungsstruktur in perspektivsicher Ansicht.
Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt aus einem Verdichter 10 einer als Flugtriebwerk ausgebildeten Gasturbine im Bereich eines rotorseitigen Laufschaufelkranzes 11, eines statorsei- tigen Leitschaufelkranzes 12 sowie eines statorseitigen Gehäuses 13, wobei radial außenliegende Enden 14 der Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes 11 in einen Einlaufbelag 15 einlaufen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das Gehäuse 13 als ein in Axialrichtung geteiltes Splitcase-Gehäuse ausgeführt, wobei die beiden Gehäusehälften über Schrauben 16 miteinander verbunden sind.
Dem Laufscliaufelkranz des Verdichters 10 ist eine als sogenanntes "Casing Treatment" ausgebildete Strömungsstruktur 17 zugeordnet. Die Strömungsstruktur 17 umfasst eine Ringkammer 18, die konzentrisch zur Axialrichtung des Verdichters 10 im Bereich der freien Schaufelenden 14 des Laufschaufelkranzes 11 angeordnet ist und radial an einen Hauptströmungskanal angrenzt. Bei der Strömungsstruktur 17 handelt es sich um ein sta- torseitiges Bauteil, welches am Gehäuse 13 befestigt ist. Die Strömungsstruktur 17 erlaubt einerseits eine Strömung in axialer Richtung und andererseits einen Strömungsdurchtritt in Umfangsrichtung.
Erfmdungsgemäß ist die Ringkammer 18 bzw. die Strömungsstruktur 17 in Umfangsrichtung aus mehreren Segmenten 19 zusammengesetzt.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines solchen Segments 19. Jedes Segment 19 weist ein einziges Leitelement 20 auf, welches der Führung der Strömung durch den Ringkanal 18 dient.
In Umfangsrichtung der Strömungsstruktur gesehen sind mehrere Segmente 19 nebeneinander bzw. hintereinander positioniert, wobei jedes Segment 19 ein in die Ringkammer 18 hineinragendes Leitelement 20 aufweist.
Die Segmente 19 sind mit einem in Durchströmungsrichtung des Verdichters 10 gesehen stromaufwärtigen Vorsprung 21 in einer ersten Nut 22 des Gehäuses 13 und mit einem in Durchströmungsrichtung des Verdichters 10 gesehen stromabwärtigen Vorsprung 23 in einer zweiten Nut 24 des Gehäuses 13 befestigt.
Wie Fig. 1 entnommen werden kann, erstreckt sich die Nut 22 dabei in Axialrichtung des Verdichters 10, die Nut 24 ist hingegen gegenüber der Axialrichtung des Verdichters schräg gestellt. Die Schrägstellung der Nut 24 erhöht die Reibungs- und Dämpfungseigenschaft bei der Fixierung der Segmente 19 am Gehäuse 13.
Die Segmente 19 können z. B. durch Gießen mit Hilfe einer Dauergussform oder durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt werden.
Die in die Nuten 22, 24 eingeführten Segmente 19 können in den Nuten durch Haltebleche gesichert werden. Alternativ ist es auch möglich, die Segmente in die Nuten einzukleben, wobei hierzu vorzugsweise Klebstoffe auf Kautschukbasis oder Silikonbasis verwendet werden.
Die Segmente 19 können in Umfangsrichtung formschlüssig - ohne gegenseitige Verbindung - aneinander grenzen und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein, z.B. mittels Kleben, Löten oder Schweißen. Auf diese Weise können zwei, mehr als zwei oder alle Segmente 19 jeweils eine zusammenhängende Einheit bilden.
Die Segmente 19 können aus jedem geeigneten Werkstoff bestehen, konkret aus Metall, Kunststoff, Keramik und/oder Verbundwerkstoff, letzterer insbesondere mit Faser- Verstärkung.
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