DE102020202978A1

DE102020202978A1 - COMPONENT FOR A FLOW MACHINE

Info

Publication number: DE102020202978A1
Application number: DE102020202978.4A
Authority: DE
Inventors: Sven-Jürgen Hiller; Roland Wunderer
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Bauteil (20) für einen Gaskanal (5) einer Strömungsmaschine (1), wobei das Bauteil (20) eine gaskanalzugewandte Oberfläche (20.1) zum Entlangströmen eines in dem Gaskanal (5) geführten Gases aufweist, wobei die gaskanalzugewandte Oberfläche (20.1) zumindest bereichsweise mit einer Mehrzahl Strukturen (25), nämlich Erhebungen (45) und/oder Vertiefungen (35), geformt ist, und wobei eine jeweilige Struktur (25) in einer Ebene (30) der gaskanalzugewandten Oberfläche (20.1) genommen eine mittlere Weite D hat und senkrecht zu der Ebene (30) eine Erstreckung T hat, wobei die senkrechte Erstreckung T höchstens das 0,1-Fache der mittleren Weite D ausmacht, T ≤ 0,1·D.Component (20) for a gas duct (5) of a turbomachine (1), the component (20) having a surface (20.1) facing the gas duct for a gas flowing along the gas duct (5), the surface (20.1) facing at least in some areas with a plurality of structures (25), namely elevations (45) and / or depressions (35), and wherein a respective structure (25) has a mean width D taken in a plane (30) of the surface (20.1) facing the gas duct and perpendicular to the plane (30) has an extension T, the vertical extension T being at most 0.1 times the mean width D, T ≤ 0.1 · D.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil zum Anordnen im Gaskanal einer Strömungsmaschine.The present invention relates to a component to be arranged in the gas duct of a turbomachine.

Stand der TechnikState of the art

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 einschließlich der Brennkammer über die Turbine bis zur Düse wird als „Heißgaskanal“ bezeichnet. Vom Einlauf im Verdichter bis zur Brennkammer erstreckt sich der „Verdichtergaskanal“ .The turbomachine can be, for example, a jet engine, e.g. B. a turbofan engine. Functionally, the turbomachine is divided into a compressor, combustion chamber and turbine. In the case of the jet engine, for example, the air that is sucked in is compressed by the compressor and burned in the downstream combustion chamber with the added kerosene. The resulting hot gas, a mixture of combustion gas and air, flows through the downstream turbine and is expanded in the process. The volume through which the hot gas flows, i.e. the path from and including the combustion chamber via the turbine to the nozzle, is referred to as the "hot gas channel". The “compressor gas duct” extends from the inlet in the compressor to the combustion chamber.

Der vorliegende Gegenstand richtet sich auf ein Bauteil zum Anordnen im „Gaskanal“ der Strömungsmaschine, dieses kann sowohl für den Verdichter- als auch für den Heißgaskanal vorgesehen sein.The present subject is directed to a component to be arranged in the “gas duct” of the turbomachine; this can be provided for both the compressor duct and the hot gas duct.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Bauteil für eine Strömungsmaschine anzugeben.The present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous component for a turbomachine.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem Bauteil gemäß Anspruch 1 gelöst. Dessen gaskanalzugewandte Oberfläche ist zumindest bereichsweise strukturiert, nämlich mit Erhebungen und/oder Vertiefungen vorgesehen. Diese Strukturen sind dabei flach ausgeführt, eine jeweilige Struktur hat nämlich relativ zu ihrer mittleren Weite D eine dazu senkrechte Erstreckung T, die höchstens das 0,1-Fache der mittleren Weite D ausmacht (T ≤ 0,1·D). Die mittlere Weite D wird dabei im Bereich der entsprechenden Struktur in einer in die Oberfläche gelegten Ebene genommen, und die senkrechte Erstreckung T senkrecht zu dieser Ebene, also im Falle einer Erhebung als die Höhe und im Falle einer Vertiefung als die Tiefe der Struktur.This is achieved according to the invention with the component according to claim 1. Its surface facing the gas duct is structured at least in some areas, namely provided with elevations and / or depressions. These structures are designed to be flat, namely, relative to its mean width D, a respective structure has an extension T perpendicular thereto, which is at most 0.1 times the mean width D (T 0.1 · D). The mean width D is taken in the area of the corresponding structure in a plane laid in the surface, and the vertical extension T is taken perpendicular to this plane, i.e. in the case of an elevation as the height and in the case of a depression as the depth of the structure.

Generell kann mit den Strukturen bspw. einer Strömungsablösung vorgebeugt und kann z. B. eine Verlustreduzierung erreicht werden. Bei der Anwendung im Verdichtergaskanal kann die verringerte Strömungsablösung bspw. die Stabilität des Verdichters erhöhen (Verdichterpumpen), weil z. B. die Verdichterschaufeln (Leit- und Laufschaufeln) entgegen eines steigenden Druckgradienten arbeiten. Die vergleichsweise flache Ausgestaltung der Strukturen kann bspw. strukturmechanisch von Vorteil sein und z. B. auch noch relativ dünne Schaufelblätter ermöglichen (aerodynamisch bzw. wegen geringerer Fliehkräfte von Vorteil). Ferner können sich flache Vertiefungen bspw. auch leichter nachträglich einbringen lassen, z. B. in einem Laserabtragverfahren. In allgemeinen Worten können flache Strukturen speziell mit Blick auf eine Massenherstellung leichter fertigbar und in Kostenhinsicht vorteilhaft sein. Ferner sind, egal ob Erhebung oder Vertiefung, flache Strukturen bspw. auch robuster, also weniger verschleißträchtig (und damit in ihren aerodynamischen Eigenschaften konstanter über die Betriebsdauer).In general, the structures can, for example, prevent flow separation and can e.g. B. a loss reduction can be achieved. When used in the compressor gas duct, the reduced flow separation can, for example, increase the stability of the compressor (compressor pumps), because z. B. the compressor blades (guide and rotor blades) work against an increasing pressure gradient. The comparatively flat design of the structures can, for example, be advantageous in terms of structural mechanics and z. B. also allow relatively thin blades (aerodynamically or because of lower centrifugal forces advantageous). Furthermore, shallow depressions, for example, can also be introduced later more easily, e.g. B. in a laser ablation process. In general terms, especially with a view to mass production, flat structures can be easier to manufacture and advantageous in terms of cost. Furthermore, regardless of whether it is an elevation or a depression, flat structures are, for example, also more robust, that is to say less prone to wear and tear (and their aerodynamic properties are therefore more constant over the operating period).

Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Die mittlere Weite D der jeweiligen Struktur (Erhebung oder Vertiefung) ergibt sich als arithmetischer Mittelwert aus ihrer kleinsten und größten Erstreckung in der in die Oberfläche gelegten Ebene, also bspw. im Falle einer Ellipse als Mittelwert aus Haupt- und Nebenachse oder im Falle eines Kreises als Kreisdurchmesser.Preferred embodiments can be found in the dependent claims and the entire disclosure, with the representation of the features not always differentiating in detail between device and method or usage aspects; in any case, the disclosure is to be read implicitly with regard to all claim categories. The mean width D of the respective structure (elevation or depression) results as the arithmetic mean value from its smallest and greatest extent in the plane laid in the surface, e.g. in the case of an ellipse as the mean value of the main and minor axis or in the case of a circle as a circle diameter.

Bei dem Bauteil kann es sich in allgemeinen Worten um eine beliebige Komponente handeln, die solchermaßen in der Strömungsmaschine angeordnet ist bzw. wird, dass in deren Betrieb das Verdichter- oder Heißgas entlang der gaskanalzugewandten Oberfläche des Bauteils strömt. Es kann sich also bspw. um eine den Gaskanal radial begrenzende Gaskanalplatte handeln, ebenso aber bspw. um eine Verkleidung (z. B. ein Fairing) oder insbesondere um ein Schaufelblatt, einer Leit- oder Laufschaufel. Das Bauteil kann in einem Verdichter- oder Turbinenmodul angeordnet sein bzw. werden, ebenso ist eine Anwendung in einem zwischen zwei Modulen angeordneten Zwischengehäuse möglich (Verdichter- oder Turbinenzwischengehäuse).In general terms, the component can be any component that is or will be arranged in the turbomachine in such a way that, during its operation, the compressor or hot gas flows along the surface of the component facing the gas duct. It can therefore be, for example, a gas channel plate delimiting the gas channel radially, but also, for example, a cladding (e.g. a fairing) or, in particular, a blade, a guide or rotor blade. The component can be arranged in a compressor or turbine module, and it can also be used in an intermediate housing arranged between two modules (compressor or turbine intermediate housing).

Die Strukturen an der gaskanalzugewandten Oberfläche können bspw. je nach Gestaltung die lokale Turbulenz erhöhen oder verringern. Dies kann vorteilhaft Verluste reduzieren oder Ablösungen unterdrücken.The structures on the surface facing the gas duct can, for example, increase or decrease the local turbulence depending on the design. This can advantageously reduce losses or suppress delamination.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die senkrechte Erstreckung T weiter reduziert, macht sie nämlich höchstens das 0,05-Fache der mittleren Weite D aus (T ≤ 0,05·D), besonders bevorzugt höchstens das 0,03-Fache der mittleren Weite D (T ≤ 0,03·D). Bezüglich der Vorteile der flachen Ausgestaltung wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Mögliche Untergrenzen der senkrechten Erstreckung T liegen bei mindestens dem 0,01-Fachen bzw. 0,02-Fachen der mittleren Weite D (T ≥ 0,01·D bzw. 0,02-D).In a preferred embodiment, the vertical extension T is further reduced, namely it is at most 0.05 times the mean width D (T ≤ 0.05 · D), particularly preferably at most 0.03 times the mean width D ( T ≤ 0.03 * D). Regarding the advantages of the flat design reference is made to the above statements. Possible lower limits of the vertical extension T are at least 0.01 times or 0.02 times the mean width D (T 0.01 · D or 0.02-D).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat eine jeweilige Struktur in einer Aufsicht betrachtet eine Ellipsen- oder Kreisform. Dies betrifft die Form der Struktur in der im Bereich der Struktur in die Oberfläche gelegten Ebene. Generell, also auch unabhängig von der Form, kann bevorzugt sein, dass die in der Ebene genommene kleinste Erstreckung der jeweiligen Struktur mindestens dem 1/2-Fachen, bevorzugt mindestens dem 2/3- bzw. 4/5-Fachen der größten Erstreckung entspricht, die Struktur soll also vereinfacht gesprochen nicht zu lang gestreckt sein. Im Falle der Ellipse betrifft dies das Verhältnis von Neben- zu Hauptachse (und sollen die eben genannten Werte entsprechend offenbart sein). Prinzipiell kann sich eine Ellipsen-Form der Kreis-Form beliebig annähern, die Nebenachse kann aber bspw. andererseits auch höchstens das 19/20-Fache oder 14/15-Fache der Hauptachse ausmachen.According to a preferred embodiment, a respective structure, viewed in a plan view, has an elliptical or circular shape. This concerns the shape of the structure in the plane laid in the surface in the area of the structure. Generally, regardless of the shape, it can be preferred that the smallest extent of the respective structure taken in the plane corresponds to at least 1/2 times, preferably at least 2/3 or 4/5 times the largest extent Put simply, the structure should not be stretched too long. In the case of the ellipse, this concerns the ratio of the minor to the major axis (and the values just mentioned should be disclosed accordingly). In principle, an elliptical shape can approximate the circular shape as desired, but the secondary axis can, on the other hand, also be at most 19/20 or 14/15 times the main axis.

In einer Schnittebene betrachtet, die senkrecht zu der in die Oberfläche gelegten Ebene liegt und die Struktur mittig durchsetzt, hat die Struktur in bevorzugter Ausgestaltung eine Kontur in Form eines Ellipsensegments. Es ist also der Boden der Vertiefung oder die Kuppe der Erhebung im senkrechten Schnitt betrachtet ellipsenförmig. Der Boden bzw. die Kuppe kann auch in mehreren Schnittebenen, die jeweils senkrecht zur in die Oberfläche gelegten Ebene liegen und zueinander verkippt sind, jeweils die Form eines Ellipsensegments haben, insbesondere kann der Boden oder die Kuppe insgesamt eine ellipsoidale Form haben (also die Form eines Ellipsoidsegments).Viewed in a sectional plane which is perpendicular to the plane laid in the surface and penetrates the structure in the center, the structure in a preferred embodiment has a contour in the form of an elliptical segment. The bottom of the depression or the top of the elevation is therefore elliptical when viewed in a vertical section. The bottom or the dome can also have the shape of an elliptical segment in several sectional planes, which are each perpendicular to the plane laid in the surface and are tilted to one another, in particular the floor or the dome can have an overall ellipsoidal shape (i.e. the shape of an ellipsoid segment).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Struktur in einer Schnittebene betrachtet, die senkrecht zu der in die Oberfläche gelegten Ebene liegt und die Struktur mittig durchsetzt, eine Kontur in Form eines Kreissegments. Die entsprechende Struktur kann in einer anderen Schnittebene betrachtet (die ebenfalls senkrecht zu der Ebene liegt) auch eine andere Form haben, bspw. eine Ellipsenform. Sie kann aber auch in mehreren Schnittebenen, die jeweils senkrecht zu der in die Oberfläche gelegten Ebene liegen und zueinander verkippt sind, jeweils eine Kreissegmentform haben. Der Boden der Vertiefung bzw. die Kuppe der Erhebung kann insgesamt insbesondere kugelsegmentförmig sein.According to a preferred embodiment, the structure has a contour in the form of a segment of a circle, viewed in a sectional plane which is perpendicular to the plane laid in the surface and penetrates the structure in the center. The corresponding structure can also have a different shape, for example an elliptical shape, when viewed in a different sectional plane (which is also perpendicular to the plane). However, it can also have the shape of a segment of a circle in several cutting planes, each of which is perpendicular to the plane laid in the surface and tilted to one another. The bottom of the depression or the dome of the elevation can, overall, in particular be in the shape of a spherical segment.

Generell können die Strukturen des Bauteils untereinander baugleich sein, also dieselbe Form und Größe haben. Andererseits kann ihre Größe und/oder Form über das Bauteil hinweg auch variieren, können die Strukturen also an die lokalen strömungs- bzw. strukturmechanischen Erfordernisse angepasst sein.In general, the structures of the component can be identical to one another, i.e. have the same shape and size. On the other hand, their size and / or shape can also vary across the component, that is to say the structures can be adapted to the local fluidic or structural mechanical requirements.

Im Allgemeinen kann zwischen der jeweiligen Struktur und dem diese Struktur einfassenden Bereich der Oberfläche auch eine Kante ausgebildet sein. Es ist also in anderen Worten ein scharfkantiger Übergang der Struktur in die umgebende Oberfläche möglich. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Übergang jedoch verrundet, wobei ein entsprechender Verrundungsradius R mindestens das 5-Fache und höchstens das 100-Fache der senkrechten Erstreckung T ausmachen kann (5,0·T ≤ R ≤ 100·T). Der Verrundungssradius wird bspw. in einer Schnittebene betrachtet, die senkrecht zu der in die Oberfläche gelegten Ebene liegt und die jeweilige Struktur mittig durchsetzt. In general, an edge can also be formed between the respective structure and the area of the surface that encloses this structure. In other words, a sharp-edged transition of the structure into the surrounding surface is possible. In a preferred embodiment, however, the transition is rounded, with a corresponding radius of curvature R being at least 5 times and at most 100 times the vertical extension T (5.0 · T R 100 · T). The radius of the rounding is viewed, for example, in a sectional plane which is perpendicular to the plane laid in the surface and penetrates the respective structure in the middle.

Bevorzugt verläuft der Übergang zwischen dem einfassenden Bereich und der Struktur kontinuierlich, ohne Unstetigkeiten im Krümmungsverlauf.The transition between the enclosing area and the structure preferably runs continuously, without discontinuities in the course of the curvature.

In bevorzugter Ausgestaltung macht ein parallel zur lokalen Strömungsrichtung des entlangströmenden Gases genommener Abstand Ls zwischen zwei nächstbenachbarten Strukturen mindestens das 1,5-Fache der mittleren Weite D dieser nächstbenachbarten Strukturen aus (sofern diese eine unterschiedliche mittlere Weite haben, wird das arithmetische Mittel daraus betrachtet). Eine weitere vorteilhafte Untergrenze des Abstands Ls liegt bei mindestens dem 2,5-Fachen der mittleren Weite D, vorteilhafte Obergrenzen können bei höchstens dem 4,0- bzw. 3,0-Fachen der mittleren Weite D liegen. Es kann also insbesondere 2,5·D ≤ L_S ≤ 3,0·D sein. Abstände zwischen Strukturen werden im Rahmen dieser Offenbarung generell als Mitte-zu-Mitte-Abstand genommen.In a preferred embodiment, a distance Ls, taken parallel to the local flow direction of the gas flowing along, between two next adjacent structures is at least 1.5 times the mean width D of these next neighboring structures (if they have a different mean width, the arithmetic mean of this is considered) . A further advantageous lower limit of the distance Ls is at least 2.5 times the mean width D; advantageous upper limits can be at most 4.0 or 3.0 times the mean width D. It can therefore in particular be 2.5 · D L _S 3.0 · D. Spaces between structures are generally taken to be center-to-center spacing for the purposes of this disclosure.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform macht ein senkrecht zur lokalen Strömungsrichtung (und dabei parallel zur Oberfläche) genommener Abstand L_n zwischen zwei nächstbenachbarten Strukturen mindestens das 1-Fache der mittleren Weite D der nächstbenachbarten Strukturen aus (im Falle unterschiedlicher mittlerer Weiten des arithmetischen Mittels daraus). Eine weitere vorteilhafte Untergrenze liegt bei mindestens dem 1,1-Fachen der mittleren Weite D, und vorteilhafte Obergrenzen des Abstands L_n können bspw. beim 2,5- bzw. 2,0-Fachen der mittleren Weite D liegen. Es kann also insbesondere 1,1·D ≤ L_n ≤ 2,5·D sein. _{According to a preferred embodiment, a distance L n} taken perpendicular to the local flow direction (and parallel to the surface) between two nearest neighboring structures is at least 1 times the mean width D of the next neighboring structures (in the case of different mean widths, the arithmetic mean thereof). A further advantageous lower limit is at least 1.1 times the mean width D, and advantageous upper limits of the distance L _n can be, for example, 2.5 or 2.0 times the mean width D. It can therefore in particular be 1.1 · D L _n 2.5 · D.

Die Strukturen können in der Oberfläche des Bauteils unregelmäßig angeordnet sein, also mit variierenden Abständen (die keinem Muster folgen). In bevorzugter Ausgestaltung sind die Strukturen jedoch in einer bzw. mehreren Reihen angeordnet, wobei eine jeweilige Reihe bevorzugt parallel zur lokalen Strömungsrichtung liegt. Der vorstehend diskutierte Abstand Ls wird dann entlang der jeweiligen Reihe genommen, der Abstand L_n hingegen senkrecht dazu zwischen zwei Reihen. Die auf benachbarten Reihen angeordneten Strukturen können dabei zueinander ausgerichtet sein, also zwar unterschiedlichen Reihen, aber bezogen auf die lokale Strömungsrichtung auf den gleichen Positionen liegen.The structures can be arranged irregularly in the surface of the component, i.e. with varying distances (which do not follow a pattern). In a preferred embodiment, however, the structures are arranged in one or more rows, with a respective row preferably lying parallel to the local flow direction. The one discussed above Distance Ls is then taken along the respective row, _{whereas the distance L n} is perpendicular to it between two rows. The structures arranged on adjacent rows can be aligned with one another, that is to say different rows, but can be in the same positions in relation to the local flow direction.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die auf zwei nächstbenachbarten Reihen angeordneten Strukturen jedoch zueinander versetzt, sind also bezogen auf die lokale Strömungsrichtung die Strukturen abwechselnd jeweils auf der einen und der anderen der beiden nächstbenachbarten Reihen angeordnet. Die Strukturen der übernächstbenachbarten Reihen können dabei wieder relativ zueinander ausgerichtet sein, also bezogen auf die lokale Strömungsrichtung auf den gleichen Positionen. Die Strukturen können zusammengefasst nach dem Prinzip der dichtesten Kugelpackung angeordnet sein bzw. werden, also bspw. in einem hexagonalen Muster. Insgesamt kann mit der versetzten Anordnung ein großer Flächenanteil strukturiert werden, wobei die Abstände zwischen den Strukturen nicht zu klein werden, was wiederum strukturmechanisch bzw. herstellungstechnisch von Vorteil sein kann.In a preferred embodiment, however, the structures arranged on two next adjacent rows are offset from one another, that is to say, with respect to the local flow direction, the structures are arranged alternately on one and the other of the two next adjacent rows. The structures of the next but one adjacent rows can again be aligned relative to one another, that is to say at the same positions in relation to the local flow direction. The structures can be or will be arranged according to the principle of the closest packing of spheres, for example in a hexagonal pattern. Overall, a large proportion of the surface area can be structured with the offset arrangement, the distances between the structures not becoming too small, which in turn can be advantageous in terms of structural mechanics and manufacturing technology.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform macht die mittlere Weite D der jeweiligen Struktur, bezogen auf eine lokale Strömungsgeschwindigkeit U und eine kinematische Viskosität v des Gases, mindestens das 5000-Fache von v/U aus (D ≥ 5000·v/U). Weitere vorteilhafte Untergrenzen der mittleren Weite D liegen bei mindestens dem 10000-, 20000-, bzw. 30000-Fachen von v/U. Eine mögliche Obergrenze der mittleren Weite D kann bspw. bei höchstens dem 150000-Fachen von v/U liegen (D ≤ 150000·v/U).According to a preferred embodiment, the mean width D of the respective structure, based on a local flow velocity U and a kinematic viscosity v of the gas, is at least 5000 times v / U (D 5000 · v / U). Further advantageous lower limits of the mean width D are at least 10,000, 20,000 or 30,000 times v / rev. A possible upper limit of the mean width D can, for example, be at most 150,000 times v / U (D 150,000 · v / U).

Wie bereits erwähnt, kann das Bauteil in bevorzugter Ausgestaltung ein Schaufelblatt sein. Dieses weist eine Vorder- und eine Hinterkante auf, sowie zwei Seitenflächen (die jeweils die Vorder- und die Hinterkante miteinander verbinden). Dabei ist zumindest eine der Seitenflächen bereichsweise mit den Strukturen versehen, es kann im Allgemeinen auch nur genau eine Seitenfläche strukturiert sein, bevorzugt sind es beide.As already mentioned, the component can be a blade in a preferred embodiment. This has a front and a rear edge, as well as two side surfaces (which connect the front and rear edges to one another). In this case, at least one of the side surfaces is provided with the structures in regions; in general, only precisely one side surface can also be structured, preferably both.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Bereich an der Hinterkante des Schaufelblatts frei von Vertiefungen, was strukturmechanisch von Vorteil sein kann (keine Schwächung im dünnen Hinterkantenbereich). Der besagte Bereich kann auch insgesamt unstrukturiert sein, also weder Vertiefungen noch Erhöhungen aufweisen. Bezogen auf eine axiale Schaufelblattlänge kann der von Vertiefungen bzw. Strukturen freie Bereich bspw. jedenfalls über 10 % erreichen (von der Hinterkante weg nach axial vorne genommen), wobei sich „axial“ auf die Längsachse der Strömungsmaschine bezieht.According to a preferred embodiment, at least one area at the rear edge of the airfoil is free of depressions, which can be advantageous in terms of structural mechanics (no weakening in the thin rear edge area). Said area can also be unstructured as a whole, that is to say have neither depressions nor elevations. In relation to an axial blade length, the area free of depressions or structures can, for example, reach more than 10% (taken axially forward from the trailing edge), with “axial” referring to the longitudinal axis of the turbomachine.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines vorliegend offenbarten Bauteils. Dabei können die Strukturen bereits beim originären Formen des Bauteils Berücksichtigung finden, also bspw. in einer Gussform oder einem Datenmodell bei generativer Herstellung. Andererseits kann das Bauteil aber auch zunächst geformt und können die Strukturen dann nachträglich eingebracht werden, bspw. anhand eines Fräsverfahrens, eines Bohrverfahrens oder in dem vorstehend erwähnten Laserabtragverfahren.The invention also relates to a method for producing a component disclosed herein. The structures can already be taken into account when the component is originally formed, for example in a casting mold or a data model in the case of additive manufacturing. On the other hand, the component can also first be shaped and the structures can then be introduced subsequently, for example using a milling process, a drilling process or in the abovementioned laser ablation process.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines vorliegend offenbarten Bauteils in einer Strömungsmaschine, insbesondere einem Flugtriebwerk. Bei der Verwendung des Bauteils strömt das Gas entlang der gaskanalzugewandten Oberfläche des Bauteils. Dessen mittlere Weite kann dabei insbesondere einem vorstehend erwähnten Verhältnis von kinematischer Viskosität v und lokaler Strömungsgeschwindigkeit U entsprechend eingestellt sein.The invention also relates to the use of a component disclosed in the present case in a turbomachine, in particular an aircraft engine. When using the component, the gas flows along the surface of the component facing the gas channel. Its mean width can in particular be set according to an above-mentioned ratio of kinematic viscosity v and local flow velocity U.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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.The invention is explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment, with the individual features within the framework of the independent claims also being essential to the invention in other combinations and furthermore no individual distinction is made between the different claim categories.

Im Einzelnen zeigt

1 in schematischer Darstellung ein Mantelstromtriebwerk in einem Axialschnitt;
2 in schematischer Darstellung ein Schaufelblatt, dass bereichsweise mit erfindungsgemäßen Strukturen versehen ist;
3a einen senkrechten Schnitt durch eine Struktur, nämlich eine Vertiefung;
3b einen senkrechten Schnitt durch eine alternative Struktur, nämlich eine Erhebung;
4a-c verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung von Strukturen;
5 in Aufsicht ellipsenförmige Strukturen zur Illustration.

Shows in detail

1 a schematic representation of a turbofan engine in an axial section;
2 a schematic representation of an airfoil that is provided with structures according to the invention in some areas;
3a a vertical section through a structure, namely a recess;
3b a vertical section through an alternative structure, namely an elevation;
4a-c different ways of arranging structures;
5 In plan view, elliptical structures for illustration.

Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention

1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 in einem schematischen Axialschnitt (bezogen auf eine Längsachse 2), konkret ein Mantelstromtriebwerk. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. In dem Verdichter 1a wird die angesaugte Luft über mehrere Stufen hinweg komprimiert, in der Brennkammer 1b wird sie mit hinzugemischten Kerosin verbrannt, die Expansion erfolgt dann in der Turbine 1c, ebenfalls über mehrere Stufen. Sowohl im Verdichter 1a als auch in der Turbine 1c ist jede Stufe aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz aufgebaut, jeder Schaufelkranz setzt sich aus mehreren umlaufend aufeinanderfolgen Schaufeln zusammen. 1 shows a turbomachine 1 in a schematic axial section (based on a longitudinal axis 2 ), specifically a turbofan engine. The turbo machine 1 is functionally divided into compressors 1a , Combustion chamber 1b and turbine 1c . In the compressor 1a the sucked in air is compressed over several stages in the combustion chamber 1b it is mixed with kerosene burned, the expansion then takes place in the turbine 1c , also over several stages. Both in the compressor 1a as well as in the turbine 1c Each stage is composed of a guide and a rotor blade ring, each blade ring is composed of several consecutive blades.

2 zeigt in schematischer Darstellung ein in einem Gaskanal 5 der Strömungsmaschine angerechnetes Bauteil 20, vorliegend ein Schaufelblatt 21 an einem Schaufelfuß 22. Dieses weist eine Vorderkante 21.1 und eine Hinterkante 21.2 auf, sowie zwei Seitenflächen 21.3,21.4. Die Seitenflächen 21.3,21.4 sind mit Strukturen 25 versehen, die einer Strömungsablösung vorbeugen können (vgl. die Beschreibungseinleitung im Detail). Auch der Schaufelfuß 22 ist auf den der Strömung zugewandten Oberflächen mit Strukturen 25 versehen. 2 shows a schematic representation of a in a gas duct 5 Component counted towards the flow machine 20th , in this case a shovel blade 21 on a blade root 22. This has a leading edge 21.1 and a trailing edge 21.2 on, as well as two side faces 21.3 , 21.4 . The side faces 21.3 , 21.4 are with structures 25th that can prevent flow separation (see the introduction to the description in detail). The blade root 22 is also provided with structures on the surfaces facing the flow 25th Mistake.

3a illustriert eine erste Struktur 25 in einem senkrechten Schnitt, es handelt sich um eine Vertiefung 35. Diese hat in einer in die Oberfläche 20.1 des Bauteils 20 gelegten Ebene 30 eine mittlere Weite D. Senkrecht dazu hat sie eine Erstreckung T, die in diesem Beispiel mindestens das 0,02-Fache und höchstens das 0,05-Fache der mittleren Weite D ausmacht. Die Vertiefung 35 ist also in anderen Worten relativ flach ausgebildet. In dem senkrechten Schnitt gemäß 3a hat die Struktur 25 die Kontur 37 eines Kreissegments 36 (Kreisform zeichnerisch nicht differenziert dargestellt). 3a illustrates a first structure 25th in a vertical section, it is a depression 35 . This one has in the surface 20.1 of the component 20th laid level 30th a mean width D. Perpendicular to this, it has an extension T which, in this example, is at least 0.02 times and at most 0.05 times the mean width D. The depression 35 In other words, it is relatively flat. In the vertical section according to 3a has the structure 25th the contour 37 of a segment of a circle 36 (Circular shape not shown differentiated in the drawing).

Ein Übergang zwischen einem die Struktur 25 einfassenden Bereich 20.1.1 der Oberfläche 20.1 und der Struktur 25 erfolgt nicht abrupt, sondern ist verrundet, vgl. den Verrundungsradius R.A transition between one the structure 25th bordering area 20.1.1 the surface 20.1 and the structure 25th does not take place abruptly, but is rounded, see the rounding radius R.

Gleiches gilt für die Struktur 25 gemäß 3b, bei welcher es sich um eine Erhebung 45 handelt. Deren vertikale Erstreckung T ist, wiederum bezogen auf eine in der Ebene 30 genommene mittlere Weite D, ebenfalls verhältnismäßig klein, in diesem Beispiel zwischen 0,02·D und 0,05·D. In dem senkrechten Schnitt gemäß 3b hat die Struktur 25 eine Kontur 37 in Form eines Ellipsensegments 46 (Ellipsenform zeichnerisch nicht differenziert dargestellt).The same goes for the structure 25th according to 3b which is a survey 45 acts. Their vertical extension is T, again based on one in the plane 30th taken mean width D, also relatively small, in this example between 0.02 · D and 0.05 · D. In the vertical section according to 3b has the structure 25th a contour 37 in the form of an ellipse segment 46 (The elliptical shape is not shown differentiated in the drawing).

Die 4a-c illustrieren verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung von Strukturen 25. In 4a sind die Strukturen 25 unregelmäßig angeordnet, sie haben keine besondere Positionierung relativ zueinander bzw. zur lokalen Strömungsrichtung 50. Bei der Variante gemäß 4b sind die Strukturen 25 in mehreren Reihen 51 angeordnet, wobei diese Reihen 51 parallel zur lokalen Strömungsrichtung 50 liegen. Die auf den unterschiedlichen Reihen 51 angeordneten Strukturen 25 sind dabei zueinander ausgerichtet, sie liegen bezogen auf die Strömungsrichtung 50 auf den gleichen Positionen 52.the 4a-c illustrate different ways of arranging structures 25th . In 4a are the structures 25th arranged irregularly, they have no special positioning relative to one another or to the local flow direction 50 . With the variant according to 4b are the structures 25th in several rows 51 arranged, these rows 51 parallel to the local flow direction 50 lie. The ones on the different rows 51 arranged structures 25th are aligned with each other, they are related to the direction of flow 50 on the same positions 52 .

Bei der Variante gemäß 4c sind die auf nächstbenachbarten Reihen 51.1,51.2 angeordneten Strukturen 25 zueinander versetzt. Vorliegend sind die Strukturen 25 in einem hexagonalen Muster platziert (dichteste Kugelpackung). In den 4b und 4c sind ferner zur Illustration auch entlang der lokalen Strömungsrichtung 50 genommene Abstände Ls und senkrecht dazu genommene Abstände L_n markiert, vgl. die Beschreibungseinleitung bzgl. deren Quantifizierung.With the variant according to 4c are those on the next adjacent rows 51.1 , 51.2 arranged structures 25th offset to each other. Here are the structures 25th placed in a hexagonal pattern (closest packing of spheres). In the 4b and 4c are also along the local flow direction for illustration 50 The distances Ls taken and the distances L _n taken perpendicular thereto are marked, see the introduction to the description with regard to their quantification.

5 illustriert Strukturen 25 in einer Aufsicht, die keine Kreis-, sondern eine Ellipsen-Form haben. Die mittlere Weite D ergibt sich hier als Mittelwert aus Hauptachse 60 und Nebenachse 61. 5 illustrates structures 25th in a plan view that are not circular, but elliptical. The mean width D results here as the mean value from the main axis 60 and minor axis 61 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: StrömungsmaschineTurbo machine
1a1a: Verdichtercompressor
1b1b: BrennkammerCombustion chamber
1c1c: Turbineturbine
22: LängsachseLongitudinal axis
55: GaskanalGas duct
2020th: BauteilComponent
20.120.1: Oberflächesurface
20.1.120.1.1: einfassender Bereichbordering area
2121: SchaufelblattShovel blade
21.121.1: VorderkanteLeading edge
21.221.2: HinterkanteTrailing edge
21.3, 21.421.3, 21.4: SeitenflächenSide faces
2525th: StrukturenStructures
3030th: Ebenelevel
3535: Vertiefungdeepening
3636: KreissegmentCircle segment
3737: Konturcontour
4545: ErhebungElevation
4646: EllipsensegmentEllipse segment
5050: StrömungsrichtungDirection of flow
5151: ReihenRows
51.1, 51.251.1, 51.2: nächstbenachbarte Reihennext adjacent rows
5252: PositionenPositions
6060: HauptachseMain axis
6161: NebenachseMinor axis

Claims

Bauteil (20) für einen Gaskanal (5) einer Strömungsmaschine (1), wobei das Bauteil (20) eine gaskanalzugewandte Oberfläche (20.1) zum Entlangströmen eines in dem Gaskanal (5) geführten Gases aufweist, wobei die gaskanalzugewandte Oberfläche (20.1) zumindest bereichsweise mit einer Mehrzahl Strukturen (25), nämlich Erhebungen (45) und/oder Vertiefungen (35), geformt ist, und wobei eine jeweilige Struktur (25) in einer Ebene (30) der gaskanalzugewandten Oberfläche (20.1) genommen eine mittlere Weite D hat und senkrecht zu der Ebene (30) eine Erstreckung T hat, wobei die senkrechte Erstreckung T höchstens das 0,1-Fache der mittleren Weite D ausmacht, T ≤ 0,1·D.Component (20) for a gas duct (5) of a turbomachine (1), wherein the component (20) has a surface (20.1) facing the gas channel for a gas flowing along the gas channel (5), wherein the surface (20.1) facing the gas duct is at least partially shaped with a plurality of structures (25), namely elevations (45) and / or depressions (35), and wherein a respective structure (25) has a mean width D taken in a plane (30) of the surface (20.1) facing the gas duct and an extension T perpendicular to the plane (30), where the vertical extension T is at most 0.1 times the mean width D, T ≤ 0.1 · D.

Bauteil (20) nach Anspruch 1, bei welchem bei der jeweiligen Struktur (25) die senkrechte Erstreckung T mindestens das 0,01-Fache und höchstens das 0,05-Fache der mittleren Weite D ausmacht, 0,01-D ≤ T ≤ 0,05·D.Component (20) after Claim 1 , in which in the case of the respective structure (25) the vertical extension T is at least 0.01 times and at most 0.05 times the mean width D, 0.01-D T 0.05 · D.

Bauteil (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die jeweilige Struktur (25) in der Ebene (30) der gaskanalzugewandten Oberfläche (20.1) eine Ellipsen- oder Kreis-Form hat.Component (20) after Claim 1 or 2 , in which the respective structure (25) in the plane (30) of the surface (20.1) facing the gas duct has an elliptical or circular shape.

Bauteil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die jeweilige Struktur (25) in einer Schnittebene betrachtet, die senkrecht zu der Ebene (30) der gaskanalzugewandten Oberfläche (20.1) liegt und die Struktur (25) mittig durchsetzt, eine Kontur in Form eines Ellipsensegments (46) hat.Component (20) according to one of the preceding claims, in which the respective structure (25) viewed in a sectional plane which is perpendicular to the plane (30) of the surface (20.1) facing the gas duct and penetrates the structure (25) centrally, a contour in Has the shape of an elliptical segment (46).

Bauteil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die jeweilige Struktur (25) in einer Schnittebene betrachtet, die senkrecht zu der Ebene (30) der gaskanalzugewandten Oberfläche (20.1) liegt und die Struktur (25) mittig durchsetzt, eine Kontur in Form eines Kreissegments (36) hat.Component (20) according to one of the preceding claims, in which the respective structure (25) viewed in a sectional plane which is perpendicular to the plane (30) of the surface (20.1) facing the gas duct and penetrates the structure (25) centrally, a contour in Has the shape of a segment of a circle (36).

Bauteil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die jeweilige Struktur (25) mit einem Verrundungsradius R in einen die jeweilige Struktur (25) einfassenden Bereich (20.1.1) der gaskanalzugewandten Oberfläche (20.1) übergeht, wobei der Verrundungsradius R mindestens das 5-Fache der und höchstens 100-Fache der senkrechten Erstreckung T ausmacht, 5,0·T ≤ R ≤ 100·T.Component (20) according to one of the preceding claims, in which the respective structure (25) merges with a radius of curvature R into an area (20.1.1) of the surface (20.1) facing the gas duct that surrounds the respective structure (25), the radius of curvature R being at least 5 times and at most 100 times the vertical extension T, 5.0 · T ≤ R ≤ 100 · T.

Bauteil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein Abstand Ls zwischen zwei nächstbenachbarten Strukturen (25), der parallel zu einer lokalen Strömungsrichtung (50) des entlangströmenden Gases genommen wird, mindestens das 2-Fache und höchstens das 3,5-Fache der mittleren Weite D der nächstbenachbarten Strukturen (25) ausmacht, 1,5·D ≤ L_S ≤ 4,0·D.Component (20) according to one of the preceding claims, in which a distance Ls between two nearest neighboring structures (25), which is taken parallel to a local flow direction (50) of the gas flowing along, is at least 2 times and at most 3.5 times Times the mean width D of the next neighboring structures (25) is 1.5 · D ≤ L _S ≤ 4.0 · D.

Bauteil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein Abstand L_n zwischen zwei nächstbenachbarten Strukturen (25), der senkrecht zu einer lokalen Strömungsrichtung (50) des entlangströmenden Gases genommen wird, mindestens das 1-Fache und höchstens das 2,3-Fache der mittleren Weite D der nächstbenachbarten Strukturen (25) ausmacht, 1,0·D ≤ L_n ≤ 2,5·D.Component (20) according to one of the preceding claims, in which a distance L _n between two nearest neighboring structures (25), which is taken perpendicular to a local flow direction (50) of the gas flowing along, is at least 1 times and at most 2.3 times - times the mean width D of the next neighboring structures (25) is 1.0 · D ≤ L _n ≤ 2.5 · D.

Bauteil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem zumindest einige der Strukturen (25) in einer Reihe (51) angeordnet sind, die sich parallel zu einer lokalen Strömungsrichtung (50) des entlangströmenden Gases erstreckt.Component (20) according to one of the preceding claims, in which at least some of the structures (25) are arranged in a row (51) which extends parallel to a local flow direction (50) of the gas flowing along.

Bauteil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Strukturen (25) in einer Mehrzahl Reihen (51) angeordnet sind, welche Reihen (51) senkrecht zu einer lokalen Strömungsrichtung (50) des entlangströmenden Gases nebeneinander liegen, wobei die auf nächstbenachbarten Reihen (51.1,51.2) angeordneten Strukturen (25) zueinander versetzt sind.Component (20) according to one of the preceding claims, in which the structures (25) are arranged in a plurality of rows (51), which rows (51) lie next to one another perpendicular to a local flow direction (50) of the gas flowing along, with those next to one another Structures (25) arranged in rows (51.1,51.2) are offset from one another.

Bauteil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die mittlere Weite D der jeweiligen Struktur (25), bezogen auf eine lokale Strömungsgeschwindigkeit U und eine kinematische Viskosität v des Gases, mindestens das 5 000-Fache von v/U ausmacht, D ≥ 5 000 µ/U.Component (20) according to one of the preceding claims, in which the mean width D of the respective structure (25), based on a local flow velocity U and a kinematic viscosity v of the gas, is at least 5,000 times v / U, D ≥ 5,000 µ / rev.

Bauteil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches ein Schaufelblatt (21) mit einer Vorder- und einer Hinterkante (21.1,21.2), sowie die Vorder- und Hinterkante verbindenden Seitenflächen (21.3,21.4) ist, wobei zumindestens eine der Seitenflächen bereichsweise mit den Strukturen (25) strukturiert ist.Component (20) according to one of the preceding claims, which is a blade (21) with a front and a rear edge (21.1,21.2), and side surfaces (21.3,21.4) connecting the front and rear edges, at least one of the side surfaces in regions is structured with the structures (25).

Bauteil (20) nach Anspruch 12, bei welchem zumindest ein Bereich an der Hinterkante (21.2) des Schaufelblatts (21) frei von Vertiefungen (35) ist.Component (20) after Claim 12 , in which at least one area on the trailing edge (21.2) of the airfoil (21) is free of depressions (35).

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (20) nach einem der Ansprüche, wobei das Bauteil (20) mit den Strukturen (25) hergestellt wird.Method for producing a component (20) according to one of the claims, wherein the component (20) is produced with the structures (25).

Verwendung eines Bauteils (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Strömungsmaschine (1), insbesondere einem Flugtriebwerk, bei welcher Verwendung das Gas an der gaskanalzugewandten Oberfläche (20.1) des Bauteils (20) entlangströmt.Use of a component (20) according to one of the Claims 1 until 13th in a turbomachine (1), in particular an aircraft engine, in which use the gas flows along the surface (20.1) of the component (20) facing the gas duct.