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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Übergangskanal für eine Strömungsmaschine sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Übergangskanal.
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Die Umlenkung von Strömung in mehrwelligen Strömungsmaschinen vom Niederdruck- zum Hochdruck- bzw. vom Mitteldruck- zum Hochdruckverdichter wird mittels eines Übergangskanals gewährleistet. Dieser überführt die Strömung von großen zu kleinen Radien. In einem derartigen Übergangskanal sind über den Umfang Stützstreben angeordnet, welche eine strukturmechanische Funktion erfüllen. Andererseits dienen die Stützstreben der Kraftübertragung zwischen dem Triebwerk und dem Fluggerät. Darüber hinaus werden durch die Stützstreben auch Leitungen wie beispielsweise für Luft oder Öl oder auch elektrische Leitungen geführt. Aus diesen Gründen weisen die Stützstreben eine gewisse Dicke auf. Die Stützstreben befinden sich in dem Strömungsweg, der durch den Übergangskanal gebildet wird, sodass es zu einer Verblockung der Strömung und somit zu einer starken Strömungsbeeinflussung kommen kann.
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Die Streben in einem Übergangskanal weisen üblicherweise ein Profil mit einer Vorderkante und einer Hinterkante auf. An der Vorderkante der Strebe bildet sich ein Staupunkt. Stromab des Staupunkts beschleunigt die Strömung bis zur maximalen Strebendicke auf eine Strömungsgeschwindigkeit, welche größer ist als die Strömungsgeschwindigkeit für denselben Kanal ohne Streben. Anschließend verzögert die Strömung bis zur Hinterkante.
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Da der Übergangskanal die Strömung von einem großen zu einem kleinen Radius überführt, ist die nabenseitige Endwand im Strömungsverlauf zunächst konvex gekrümmt und anschließend weist sie eine konkave Krümmung auf. Auf Höhe der Strebenvorderkante kommt es auf der nabenseitigen Endwand durch die konvexe Krümmung zu einer Strömungsbeschleunigung. In der sich stromab anschließenden konkaven Krümmung kommt es zu einer Verzögerung der Strömung.
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Die Verzögerung der Strömung auf der Strebe und die Verzögerung an der nabenseitigen Endwand fallen örtlich zusammen. Infolge dessen folgt die Strömung nicht mehr der Kontur der Endwand, sondern wandert von der Nabe schräg die Strebe in Richtung Hinterkante hinauf. In Abhängigkeit von der Steilheit des Übergangskanals kann es an dieser Stelle zu einer Strömungsablösung kommen, was zu Verlusten führt, die dann durch den dahinterliegenden Hochdruckverdichter kompensiert werden müssen. Darüber hinaus benötigt das sich an den Übergangskanal anschließende Eintrittsleitrad des Hochdruckverdichters eine über die radiale Höhe möglichst konstante, axiale Zuströmung, um den Hochdruckverdichter optimal betreiben zu können.
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Die Strömungsablösung führt somit zu weiteren Wirkungsgradverlusten aufgrund einer ungleichmäßigen Zuströmung zu dem Eintrittsleitrad des Hochdruckverdichters.
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Um Gewichtseinsparungen und somit Treibstoffeinsparungen gewährleisten zu können, ist es ein Bestreben, die Übergangskanäle möglichst kurz zu halten, da durch jeden Zentimeter an Längeneinsparung der Übergangskanäle eine Gewichtsreduktion des Gesamttriebwerks realisiert werden kann. Durch die Längenreduzierung eines Übergangskanals muss dieser steiler ausgeführt sein, um eine Radiusreduzierung auf den Hochdruckverdichter realisieren zu können. Dadurch sind die sich im Übergangskanal bildenden Druckgradienten, die die Strömung entlang der Nabenkontur be- und entschleunigen, ebenfalls größer. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer Strömungsablösung in zuvor beschriebenen kritischen Bereich erhöht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Gefahr einer Strömungsablösung im Bereich der Hinterkante einer Stützstrebe eines Übergangskanals zu reduzieren und darüber hinaus eine verbesserte Zuströmung zu dem Eintrittsleitrad eines sich an den Übergangskanal anschließenden Hochdruckverdichters zu gewährleisten.
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Das erfindungsgemäße Problem wird mit einem Übergangskanal gemäß Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Strömungsmaschine mit Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Übergangskanal für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, zur Bildung eines Strömungskanals zwischen einem ersten und einem zweiten Verdichterabschnitt weist eine nabenseitige Endwand und eine gehäuseseitige Wandung auf. Der Übergangskanal weist eine Gesamthöhe hges auf, die sich von der nabenseitigen Endwand zu der gehäuseseitigen Wandung erstreckt. Stützrippen erstrecken sich zwischen der nabenseitigen Endwand und der gehäuseseitigen Wandung, wobei jede Stützrippe jeweils ein Profil mit einer Vorderkante und einer Hinterkante aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verlauf der Hinterkante in radialer Richtung in einem ersten Abschnitt der sich von der nabenseitigen Endwand in radialer Richtung zu der gehäuseseitigen Wandung bis zu einer Höhe hsek erstreckt, Krümmungen aufweist, die eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Ausbuchtung der Hinterkante bilden. Die Höhe hsek des ersten Abschnitts, in dem sich die Ausbuchtung befindet, ist kleiner als die Gesamthöhe hges. In einem zweiten Abschnitt, der sich oberhalb des ersten Abschnitts bis zur gehäuseseitigen Wandung erstreckt, weist die Hinterkante vorzugsweise einen regulären radialen Verlauf und somit einen geraden Verlauf auf. Die Ausbuchtung im Bereich der Hinterkante verlagert die Strömung in Richtung der nabenseitigen Endwand zur Beschleunigung der Strömung an der nabenseitigen Endwand und zur Entgegenwirkung einer Strömungsablösung.
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Aufgrund der Steilheit des Übergangskanals und der damit einhergehenden starken Krümmung des Übergangskanals kommt es wie einleitend beschrieben zu einer starken Strömungsverzögerung und damit zu einer hohen aerodynamischen Belastung der nabenseitigen Endwand im Bereich der Hinterkante der Stützrippe. Aufgrund der durch die Ausbuchtung an der Hinterkante erfolgte Verlagerung der Strömung in Richtung der Nabe wird hochenergetisches Fluid zur nabenseitigen Endwand verschoben. Dadurch wird die Strömung an der Nabe beschleunigt, wodurch die nabenseitige Verzögerung der Strömung verringert wird und somit auch die Belastung der Endwand. Aufgrund der verringerten Strömungsverzögerung wird einer Strömungsablösung in dem kritischen Bereich entgegengewirkt und Verluste werden vermieden. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass die axiale Abströmung aus dem Übergangskanal verbessert ist und somit variierende Abströmwinkel vermieden werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass sich der Abströmwinkel der axialen Abströmung in einem Bereich von ± 3° befindet.
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Der erfindungsgemäße Übergangskanal dient insbesondere der Umlenkung der Strömung in mehrwelligen Turbomaschinen vom Nieder- zum Hochdruck- bzw. vom Mittel- zum Hochdruckverdichter. Dadurch kann der Übergangskanal Strömungen von einem größeren zu einem kleineren Radius überführen und weist in seinem Verlauf zunächst eine konvexe und anschließend eine konkave Krümmung der nabenseitigen Endwand auf. Der Übergangskanal bildet somit eine Art S-Form.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Strömung an der Hinterkante eine Saugseite und eine Druckseite ausbildet, wobei sich die Ausbuchtung der Hinterkante zu der Druckseite hin erstreckt. Mit anderen Worten: Die Ausbuchtung bildet eine konvexe Wölbung in Richtung der Druckseite und eine konkave Wölbung in Bezug zu der Saugseite.
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Eine derartige Ausbildung der Stützrippen hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Übergangskanal kann vorgesehen sein, dass der Normalverlauf der Hinterkante und der Vorderkante, d.h. der radiale Verlauf der Hinterkante oberhalb der Ausbuchtung geradlinig und orthogonal zu der nabenseitigen Endwand und der gehäuseseitigen Wandung (aus Sicht in Strömungsrichtung auf die Vorderkante bzw. aus Sicht entgegen der Strömungsrichtung auf die Hinterkante) ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Ausbuchtung in Längsrichtung der Stützrippe von der Hinterkante aus über eine Länge L in Richtung der Vorderkante erstreckt, wobei die Länge L kleiner ist als die Gesamtlänge Lges der Stützrippe.
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Mit anderen Worten, die Ausbuchtung erstreckt sich nicht über die gesamte Länge der Stützrippe, sondern nur in einem vorgegebenen Bereich ausgehend von der Hinterkante. Im weiteren Bereich der Stützrippe, d.h. in dem sich in Längsrichtung von der Hinterkante in Richtung der Vorderkante an den Bereich der Ausbuchtung anschließenden Bereich weist die Stützrippe einen normalen Verlauf, d.h. einen leicht gewölbten Verlauf auf. Das Querschnittsprofil der Stützrippe im Bereich des normalen Verlaufs kann ein gewölbtes flügelförmiges Querschnittsprofil sein.
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Die Ausbuchtung kann insbesondere in einem stetigen Verlauf in den übrigen Bereich der Stützrippe übergehen, d.h. durch die Ausbuchtungen werden keine Kanten oder plötzlichen Richtungsänderungen gebildet, die zu einer unerwünschten Strömungsbeeinflussung führen würden. Die Erstreckung der Ausbuchtung in Längsrichtung und somit die Länge L verläuft insbesondere von dem Punkt, bei dem sich zur Ausbildung der Ausbuchtung eine Abweichung von dem normalen Verlauf der Stützrippe ergibt, bis zur Hinterkante.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass für die Länge L gilt: 0,5·Lges ≥ L ≥ 0,25·Lges, vorzugsweise 0,4·Lges ≥ L ≥ 0,3·Lges. Insbesondere kann sich die Ausbuchtung über etwa ein Drittel der Gesamtlänge Lges der Stützrippe erstrecken. Eine derartige Ausgestaltung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise vorsehen, dass die Ausbuchtung eine maximale Breite b aufweist, für die gilt: 0,3-hges ≥ b ≥ 0,1·hges, vorzugsweise 0,2·hges ≥ b ≥ 0,15·hges, besonders bevorzugt b=0,175.hges.
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Die Breite b gibt somit die durch die Ausbuchtung gebildete maximale Abweichung von dem Normalverlauf der Stützrippe an. Mit anderen Worten: Die Breite b wird quer zu der Längsrichtung der Stützrippe in Umfangsrichtung gemessen. Die maximale Breite b gibt somit den Abstand in Umfangsrichtung des äußersten Punkts der Ausbuchtung zu der Mittelebene der Stützstrebe. Die Mittelebene ist dabei die Ebene, die im Normalverlauf der Stützstrebe mittig der Stützstrebe angeordnet ist.
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Vorzugweise ist vorgesehen, dass für die Höhe hsek des ersten Abschnitts gilt: 0,9-hges ≥ hsek ≥ 0,7-hges, vorzugsweise 0,85·hges≥hsek≥0,75·hges, besonders bevorzugt hsek=0,8·hges. hsek kann insbesondere in Abhängigkeit von dem Verlauf des Übergangskanals bestimmt werden. Insbesondere kann die Höhe hsek des ersten Abschnitts an den Bereich, in dem aufgrund des Verlaufs des Übergangskanals eine Sekundärströmung entsteht, angepasst sein.
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Vorzugweise ist vorgesehen, dass die Ausbuchtung eine maximale Erstreckung in Umfangsrichtung aufweist, wobei die maximale Erstreckung in einem Abstand h von der nabenseitigen Endwand angeordnet ist, wobei gilt: 0,65.hges ≥ h ≥ 0,15·hges, vorzugsweise 0,5·hges ≥ h ≥ 0,2·hges, besonders bevorzugt h=0,3·hges. Die maximale Erstreckung ist dabei der Scheitelpunkt des Verlaufs der Ausbuchtung und kann insbesondere im Bereich der Hinterkante angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Strömungsmaschine mit einem ersten Verdichterabschnitt und einem zweiten Verdichterabschnitt, wobei ein erfindungsgemäßer Übergangskanal den ersten und zweiten Verdichterabschnitt verbindet.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Übergangskanals mit Stützrippe,
- 2 eine schematische Draufsicht auf die Hinterkante der Stützrippe eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Übergangskanals und
- 3 eine schematische Seitenansicht der Stützrippe eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Übergangskanals.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines herkömmlichen Übergangskanals schematisch dargestellt.
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In dem Übergangskanal ist eine Stützrippe 100 an einer nabenseitigen Endwand 300 angeordnet. Die gegenüberliegende gehäuseseitige Wandung ist nicht dargestellt. Die Stützrippe 100 weist eine Vorderkannte 110 und eine Hinterkante 120 auf. Zu erkennen ist auch das typische flügelförmige Querschnittsprofil, das auch bei der erfindungsgemäßen Stützrippe vorgesehen sein kann.
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Mit den Abschnitten A, B und C sind Strömungsabschnitte in dem Bereich des Übergangskanals ohne die Stützrippe bezeichnet. In Abschnitt A erfolgt dabei eine Beschleunigung der Strömung. In Abschnitt B erfolgt eine starke Verzögerung der Strömung. In Abschnitt C erfolgt eine geringe Beschleunigung der Strömung.
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Die Stützrippe 100 beeinflusst jedoch die Strömung, sodass an der Vorderkante 110 ein Staupunkt gebildet ist. Stromab des Staupunkts im Abschnitt A' beschleunigt die Strömung bis zur maximalen Stützrippendicke. Die erreichte Strömungsgeschwindigkeit ist größer als die Strömungsgeschwindigkeit in Abschnitt B. Anschließend verzögert die Strömung im Abschnitt B' bis zur Hinterkante 120.
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Da ein derartiger Übergangskanal in mehrwelligen Turbomaschinen Nieder- und Hochdruck- bzw. Mittel- und Hochdruckverdichter verbindet, überwindet der Übergangskanal einen Radiusunterschied, sodass die Strömung von einem großen zu einem kleinen Radius überführt wird. Dadurch weist die nabenseitige Endwand 300 eine Krümmung auf, die stromauf der Vorderkante 110 bis zum Bereich der Vorderkante 110 konvex gekrümmt ist und stromab in eine konkave Krümmung übergeht. Dadurch kommt es im Bereich der Strebenvorderkante zu der Strömungsbeschleunigung (Bereich A). Die Verzögerungen an der Stützrippe (Bereich B') und die aufgrund des Verlaufs der nabenseitigen Endwand 300 erfolgten Verzögerung (Bereich B) fallen örtlich zusammen. Infolgedessen kann es dazu kommen, dass die Strömung nicht mehr der Kontur der nabenseitigen Endwand 300 folgt, sondern an der Stützrippe in Richtung der Hinterkante 120 hinaufwandert. Dadurch kann es zu einer Strömungsablösung in diesem Bereich kommen (vgl. Strömungslinien in 1).
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Um diesem Problem entgegenzuwirken und darüber hinaus am Ende des Übergangskanals eine möglichst gleichmäßige axiale Abströmung zu gewährleisten, sieht die Erfindung eine besondere Formgebung der Stützrippe vor, die in den 2 und 3 schematisch dargestellt ist.
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In 2 ist ein Ausschnitt eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Übergangskanals 1 schematisch dargestellt. In dem Übergangskanal 1 ist zwischen der nabenseitigen Endwand 3 und der gehäuseseitigen Wandung 5 eine Stützrippe 7 angeordnet. Die Stützrippe 7 verbindet die nabenseitige Endwand 3 mit der gehäuseseitigen Wandung 5 und kann zu einer Kraftübertragung zwischen einem Triebwerk, in dem der erfindungsgemäße Übergangskanal 1 angeordnet ist, und beispielsweise einem Fluggerät dienen.
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Der Übergangskanal 1 weist eine Gesamthöhe hges auf, sodass auch die Stützrippe 7 eine entsprechende Höhe besitzt.
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Die Stützrippe 7 weist eine Vorderkante 9 und eine Hinterkante 11 auf. Die Vorderkante 9 ist am besten aus 3 ersichtlich, in der eine schematische Seitenansicht der Stützrippe 7 in dem Übergangskanal 1 gezeigt ist. In 2 blickt der Betrachter direkt auf die Hinterkante 11.
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In einem ersten Abschnitt 11a der Hinterkante 11, der sich von der nabenseitigen Endwand 3 in radialer Richtung zu der gehäuseseitigen Wandung bis zu einer Höhe hsek erstreckt, ist die Hinterkante 11 gekrümmt, sodass sich in Umfangsrichtung der Endwand (in 2 durch einen Pfeil angedeutet, der auch die Drehrichtung anzeigt) eine Ausbuchtung 13 der Hinterkante 11 ergibt.
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Die Strömung in dem Übergangskanal bildet an der Stützrippe 7 eine Saugseite und eine Druckseite, wobei die Ausbuchtung 13 der Hinterkante 11 sich zu der Druckseite hin erstreckt. Mit anderen Worten, die Ausbuchtung 13 bildet an der Druckseite eine konvexe Wölbung der Hinterkante 11, wohingegen an der Saugseite eine konkave Wölbung gebildet ist.
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Durch die zuvor beschriebenen Strömungsphänomene an der nabenseitigen Endwand 3 und der Stützrippe 11 entsteht an der Saugseite eine starke Sekundärströmung. Diese befindet sich im unteren Bereich der Stützrippe 7 ausgehend von der nabenseitigen Endwand 3 bis zu einer Höhe, die der Höhe hsek des ersten Abschnitts entspricht.
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Durch die Ausbuchtung 13 kommt es zu einer Verlagerung der Strömung in Richtung der nabenseitigen Endwand 3, sodass hochenergetisches Fluid zur nabenseitigen Endwand verschoben wird. Dadurch wird die Strömung an der nabenseitigen Endwand 3 beschleunigt, sodass die nabenseitige Verzögerung verringert wird und somit auch die Belastung der nabenseitigen Endwand 3. Gleichzeitig wird der Strömungsablösung in dem kritischen Bereich entgegengewirkt, sodass Verluste vermieden werden können.
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Die Ausbuchtung 13 erstreckt sich, wie aus 3 ersichtlich ist, über eine Länge L in Strömungsrichtung. Die Länge L kann beispielsweise 30 % der Gesamtlänge Lges der Stützrippe 7 betragen.
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In dem Bereich oberhalb des ersten Abschnitts 11a und dem Bereich vor der Ausbuchtung 13 besitzt die Stützrippe 7 einen normalen Verlauf, wie er beispielsweise bei der Stützrippe 100 in der 1 dargestellt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Übergangskanal 1 kann vorgesehen sein, dass die Ausbuchtung 13 ausgehend von der Hinterkante 11 sich stromauf dem normalen Verlauf der Stützrippe 7 annähert und in diesen übergeht, sodass ein glatter Übergang zu dem übrigen Bereich der Stützrippe 7 gebildet ist und keine Kanten oder ähnliches entstehen.
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Die Ausbuchtung weist eine maximale Breite b auf, die beispielsweise 17,5 % der Gesamthöhe hges des Übergangskanals 1 betragen kann. Die maximale Breite b wird an dem Punkt der maximalen Erstreckung der Ausbuchtung 13 in Umfangsrichtung gemessen. Dieser Punkt kann beispielsweise direkt an der Hinterkante 11 angeordnet sein. Die maximale Breite b ist der Abstand dieses Punktes von der Mittelebene 15 der Stützrippe 7 in dem zweiten Abschnitt 11b, der sich oberhalb des ersten Abschnitts 11a bis zur der gehäuseseitigen Wandung 5 erstreckt.
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Die Höhe hsek kann beispielsweise 80 % der Gesamthöhe hges des Übergangskanals besitzen.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, verläuft der erfindungsgemäße Übergangskanal 1 in Strömungsrichtung (in 3 durch Pfeil dargestellt) zunächst mit einer konvexen Krümmung und anschließend mit einer konkaven Krümmung, um die Strömung von einem größeren Radius zu einem kleineren Radius zu überführen.
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Die Ausbuchtung 13 weist eine maximale Erstreckung in Umfangsrichtung auf, wobei diese maximale Erstreckung mit einem Abstand h von der nabenseitigen Endwand 3 angeordnet ist. Die maximale Erstreckung ist beispielsweise der Scheitelpunkt der die Ausbuchtung 13 bildenden Wölbung der Stützrippe 7. Der Abstand h kann beispielsweise 30 % der Gesamthöhe hges des Übergangskanals 1 betragen.
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Durch den erfindungsgemäßen Übergangskanal sowie eine Strömungsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Übergangskanal kann gewährleistet werden, dass die nabenseitige Endwand 3 entlastet wird und mögliche Strömungsablösungen im Bereich der Hinterkante verringert werden. Darüber hinaus kann der Abströmwinkel des Übergangskanals 1 vergleichmäßigt werden, sodass eine axiale Abströmung, die im Bereich ±3° beträgt, erreicht werden kann.
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Das zu der vorliegenden Erfindung führende Projekt wurde gefördert von dem Clean Sky 2 Undertaking (CSJU), das Teil des Horizont 2020 Forschungs- und Innovationsprogramms der Europäischen Union ist (Förderungsvertrag Nr. 807085).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Übergangskanal
- 3
- nabenseitige Endwand
- 5
- gehäuseseitige Wandung
- 7
- Stützrippe
- 9
- Vorderkante
- 11
- Hinterkante
- 11a
- erster Abschnitt
- 13
- Ausbuchtung
- 100
- Stützrippe
- 105
- gehäuseseitige Wandung
- 110
- Vorderkante
- 117
- Stützrippe
- 120
- Hinterkante
- 300
- nabenseitige Endwand
