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Die Erfindung betrifft ein Zwischengehäuse, insbesondere von Turbinen eines Gastriebwerks, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine mehrwellige Strömungsmaschine wie zum Beispiel ein mehrwelliges Gastriebwerk verfügt über mehrere Verdichterkomponenten, mindestens eine Brennkammer und mehrere Turbinenkomponenten. So verfügt ein zweiwelliges Gastriebwerk über einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, mindestens eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine sowie eine Niederdruckturbine. Ein dreiwelliges Gastriebwerk verfügt über einen Niederdruckverdichter, einen Mitteldruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, mindestens eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine, eine Mitteldruckturbine und eine Niederdruckturbine.
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1 zeigt einen stark schematisierten Ausschnitt aus einem mehrwelligen Gastriebwerk im Bereich eines Rotors 10 einer Hochdruckturbine 11 sowie eines Rotors 12 einer Niederdruckturbine 13. Zwischen der Hochdruckturbine 11 und der Niederdruckturbine 13 erstreckt sich ein Zwischengehäuse 14 mit einem Übergangströmungskanal 33, um die Strömung, welche die Hochdruckturbine 11 verlässt, der Niederdruckturbine 13 zuzuführen, wobei im Übergangsströmungskanal 33 mindestens eine Stützrippe 15 positioniert ist.
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Bei der Stützrippe 15 handelt es sich um ein statorseitiges Bauteil, welches die den Übergangsströmungskanal 33 durchströmende Strömung führt. Eine solche strömungsführende Stützrippe 15 verfügt über eine Vorderkante 16, die auch als Strömungseintrittskante bezeichnet wird, über eine Hinterkante 17, die auch als Strömungsaustrittskante bezeichnet wird, und über Seitenwände 18.
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In den Übergangströmungskanal 33 kann (siehe 1) stromaufwärts der Stützrippen 15 im Bereich eines Eintritts in den Übergangsströmungskanal 33 bzw. im Bereich einer Vorderkante 34 des Zwischengehäuses 14 radial außen in denselben eine Kavität 19 münden, durch die in geringem Maße Kühlluft 21a austreten kann, die sich mit der die Hochdruckturbine 11 verlassenden Gasströmung 20 vermischt. Diese Kavität 19 befindet sich zwischen den NDT-Gehäuse und dem Zwischengehäuse 14, die mit einer Dichtung 21c abgedichtet wird. Durch diese Dichtung 21c fließt nur eine schwache Leckageströmung 21b, da das NDT-Gehäuse und das Zwischengehäuse 14 nicht fest miteinander verbunden werden können.
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Um den Eintritt der Leckage 21a in den Übergangsströmungskanal 33 zu ermöglichen und ein Einströmen der Gasströmung 20 über die Kavität 19 zu verhindern, liegt der statische Druck der Gasströmung 20 im Bereich des Eintritts in die Kavität 19 unterhalb des Drucks der Kühlluft 21b im Sekundärluftbereich 21d außerhalb des Ringraumes.
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Wie 2 entnommen werden kann, stellt sich bei der aus dem Stand der Technik gemäß 1 bekannten Strömungsmaschine stromaufwärts der Vorderkanten 16 der Stützrippen 15 in Folge einer Verblockung der den Übergangsströmungskanal 33 durchströmenden Gasströmung auf Umfangspositionen, auf welchen die Stützrippen positioniert sind, ein Druckanstieg +Δp des statischen Drucks ein, wohingegen sich gemäß 2 auf Umfangspositionen zwischen benachbarten Stützrippen 15 ein Druckabfall –Δp des statischen Drucks einstellt. In 2 ist eine dimensionslose Umfangsrichtung u/t gezeigt, wobei t der Stützrippenteilung in Umfangsrichtung u entspricht.
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Die in 2 durch gestrichelte Linien dargestellten Druckfelder des Druckanstiegs +Δp auf der Umfangsposition der Stützrippen 15 und des Druckabfalls –Δp auf der Umfangsposition zwischen benachbarten Stützrippen 15 jeweils stromaufwärts der Vorderkanten 16 der Stützrippen 15 reicht in die Kavität 19 hinein, sodass sich im Mündungsbereich der Kavität 19 und im Übergangsströmungskanal 33 eine verlustbehaftete Sekundärströmung 22 ausbildet. Weiter führt die Druckschwankung gemäß 2 in der Kavität zu einem höheren Druckgefälle zwischen der Gasströmung 20 und der Kühlluftströmung 21b, was letztendlich die Leckage erhöht und zu einem verschlechterten Wirkungsgrad der Strömungsmaschine führt.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein Zwischengehäuse zu schaffen, mit Hilfe dessen der Wirkungsgrad gesteigert werden kann.
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Dieses Problem wird durch ein Zwischengehäuse gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist die radial außen liegende Begrenzungswand zumindest in einem Abschnitt stromaufwärts der Stützrippe eine sich in Umfangsrichtung verändernde Kontur auf.
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Mit der Erfindung ist es möglich, der Ausbildung der sich nach dem Stand der Technik im Kühlluftströmungskanal einstellenden, verlustbehafteten Sekundärströmung effizient entgegen zu wirken. Da mit einem geringeren Druckgefälle zwischen der Gasströmung und der Kühlluftströmung gearbeitet werden kann, kann der Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden.
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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:
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1 einen stark schematisierten, ausschnittsweisen Längsschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Strömungsmaschine im Bereich eines Zwischengehäuses und damit Strömungskanals zwischen zwei Turbinenkomponenten;
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2 einen Ausschnitt aus der Anordnung der 1 in radialer Blickrichtung;
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3 einen stark schematisierten, ausschnittsweisen Längsschnitt durch eine Strömungsmaschine im Bereich eines erfindungsgemäßen Zwischengehäuses, das zwischen zwei Turbinenkomponenten positioniert ist;
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4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Erfindung; und
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5 ein weiteres Diagramm zur Verdeutlichung der Erfindung.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft den Bereich mehrwelliger Strömungsmaschinen, insbesondere mehrwelliger Gastriebwerke, mit mehreren Verdichterkomponenten sowie mehreren Turbinenkomponenten. Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Strömungsmaschine ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig und wurde bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun Details eines Zwischengehäuses 14 einer derartigen Strömungsmaschine, mithilfe derer der Eintritt einer in einem Kühlluftströmungskanal 19 geführten Kühlluftströmung in die vom Übergangsströmungskanal 33 des Zwischengehäuses 14 geführte Gasströmung verbessert werden kann, nämlich in einem Eintrittsbereich des Übergangsströmungskanals 33 stromaufwärts von im Übergangsströmungskanal 33 positionierten Stützrippen 15.
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Die Erfindung ist sowohl bei einem Zwischengehäuse 14 einer zweiwelligen Strömungsmaschine, das sich zwischen einer Hochdruckturbine 11 sowie eine Niederdruckturbine 13 erstreckt, als auch bei einem Zwischengehäuse einer dreiwelligen Strömungsmaschine, das sich zwischen einer Hochdruckturbine und einer Mitteldruckturbine oder zwischen einer Mitteldruckturbine und einer Niederdruckturbine erstreckt, einsetzbar.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Strömungsmaschine im Bereich eines Zwischengehäuses 14, eines Übergangsströmungskanals 33 dieses Zwischengehäuses 14 und einer stromaufwärts des Übergangsströmungskanals 33 positionierten, im gezeigten Ausführungsbeispiel als Hochdruckturbine 11 ausgebildeten Turbinenkomponente, wobei gemäß 3 der Kühlluftströmungskanal 19 von radial außen in den Übergangsströmungskanal 33 mündet, nämlich stromaufwärts von Stützrippen 15, die im Übergangsströmungskanal 33 positioniert sind. Der Kühlluftströmungskanal 19 wird dabei von der Vorderkante 34 des Zwischengehäuses 14 abschnittsweise begrenzt.
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Der Übergangsströmungskanal 33 wird radial innen von einer statorseitigen Begrenzungswand 23 und radial außen ebenfalls von einer statorseitigen Begrenzungswand 24 begrenzt.
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An den Rotor 10 der Hochdruckturbine 11 grenzt radial außen eine Begrenzungswand 25 der Hochdruckturbine 11 an.
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Um nun einen ungehinderten Eintritt der vom Kühlluftströmungskanal 19 geführten Kühlluft in die die Hochdruckturbine 11 verlassende und vom Übergangsströmungskanal 33 des Zwischengehäuses 14 geführte Gasströmung zu ermöglichen, kann die radial außen liegende Begrenzungswand 24 des Übergangsströmungskanals 33 zumindest in einem Abschnitt stromaufwärts der Stützrippen 15 mit einer sich in Umfangsrichtung verändernden Kontur versehen sein.
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Vorzugsweise weist die radial außen liegende Begrenzungswand 24 des Übergangsströmungskanals 33 zumindest in einem Übergangsabschnitt zwischen der Vorderkante 34 des Zwischengehäuses 14 und dem Übergangsströmungskanals 33 eine sich in Umfangsrichtung verändernde Kontur auf.
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Diese sich in Umfangsrichtung verändernde Kontur der radial außen liegenden Begrenzungswand 24 des Übergangsströmungskanals 33 kann sich gemäß 3 auch bis in einen Bereich stromabwärts der Vorderkanten 16 der Stützrippen 15 erstrecken, wobei 3 zwei an unterschiedlichen Umfangpositionen u/t ausgebildete Konturen 24 und 24' für die radial äußere Begrenzungswand des Übergangsströmungskanals 33 zeigt.
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Die radial außen liegende Begrenzungswand 24 des Übergangsströmungskanals 33 verfügt im Eintrittsbereich des Übergangsströmungskanals 33 stromaufwärts der Vorderkanten 16 der Stützrippen 15 über einen Begrenzungswandabschnitt bzw. Begrenzungswandpunkt 26 mit minimalem Krümmungsradius und demnach maximaler Krümmung.
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Die Kontur der radial außen liegenden Begrenzungswand 24 des Übergangsströmungskanals 33 verändert sich dabei in Umfangsrichtung u bzw. u/t derart, dass sich eine Axialposition (Axialrichtung x) und/oder einer Radialposition (Radialrichtung r) des Begrenzungswandabschnitts bzw. Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius in Umfangsrichtung u bzw. u/t verändert.
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Vorzugsweise verändert sich in Umfangsrichtung sowohl die Axialposition als auch die Radialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius. In einer vereinfachten Ausführung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass sich ausschließlich die Axialposition oder ausschließlich die Radialposition dieses Begrenzungswandpunkts 26 in Umfangsrichtung verändert.
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Die Axialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius verändert sich in Umfangsrichtung u bzw. u/t derart, dass in etwa auf der Umfangsposition der Vorderkanten 16 der Stützrippen 15 dieser Begrenzungswandpunkt 26 in Axialrichtung x maximal stromaufwärts und in etwa auf einer Umfangsposition halber Teilung zwischen zwei benachbarten Stützrippen in Axialrichtung x maximal stromabwärts versetzt bzw. positioniert ist. Zwischen diesen maximalen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Axialpositionen verändert sich die Axialposition des Begrenzungswandpunkts 26 in Umfangsrichtung kontinuierlich bzw. stetig.
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Die Radialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius verändert sich in Umfangsrichtung u bzw. u/t derart, dass in etwa auf der Umfangsposition der Vorderkanten 16 der Stützrippen 15 dieser Begrenzungswandpunkt 26 in Radialrichtung r maximal nach radial außen und in etwa auf einer Umfangsposition halber Teilung zwischen zwei benachbarten Stützrippen 15 in Radialrichtung r maximal nach radial innen versetzt bzw. positioniert ist. Zwischen diesen maximalen radial inneren und radial äußeren Radialpositionen verändert sich die Radialposition des Begrenzungswandpunkts 26 in Umfangsrichtung kontinuierlich bzw. stetig.
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Die in 3 gezeigte Kontur 24 der radial äußeren Begrenzungswand des Übergangsströmungskanals 33 entspricht der Kontur derselben in etwa auf der Umfangsposition einer Vorderkante 16 einer Stützrippe 15, wohingegen die in 3 gezeigte Kontur 24' der Kontur derselben in etwa auf einer Umfangsposition halber Teilung zwischen zwei benachbarten Stützrippen 15 entspricht.
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Weitere Details hinsichtlich des Versatzes der Axialposition sowie Radialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius in Umfangsrichtung u bzw. u/t werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
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In 4 ist auf der horizontal verlaufenden Achse ein betragsmäßiges Verhältnis Δx/xKS zwischen dem Axialabstand Δx (siehe 3) der stromabwärtigen Axialposition und der maximal stromaufwärtigen Axialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius und dem Axialabstand xKS (siehe 3) eines stromabwärtigen Endes 27 der radial außenliegenden Begrenzungswand 25 der stromaufwärts des Übergangskanals 33 positionierten Turbinenkomponente 11 und der Vorderkante 16 der Stützrippen 15 aufgetragen. Weiterhin ist in 4 auf der horizontal verlaufenden Achse ein betragsmäßiges Verhältnis Δr/xKS zwischen dem Radialabstand Δr (siehe 3) der maximal radial äußeren Radialposition und der radial inneren Radialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius und diesem Axialabstand xKS aufgetragen. Wie bereits erwähnt, entspricht xKS (siehe 3) dem Abstand zwischen dem stromabwärtigen Ende 27 der radial außenliegenden Begrenzungswand 25 der Hochdruckturbine 11 und der Vorderkante 16 der Stützrippen 15.
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Auf der vertikal verlaufenden Achse ist in 4 die dimensionslose Umfangsrichtung u/t aufgetragen, wobei auf den Umfangspositionen u/t = 0 und u/t = 1 jeweils eine Vorderkante 16 einer Stützrippe 15 positioniert ist, und wobei eine Umfangsposition u/t = 0.5 einer Umfangsposition in der Mitte zwischen zwei benachbarten Stützrippen 15 entspricht.
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So kann 4 entnommen werden, dass sich die Verhältnisse Δx/xKS und Δr/xKS in dimensionsloser Umfangsrichtung u/t gesehen zwischen zwei benachbarten Stützrippen 15 kontinuierlich verändern, wobei auf der Umfangsposition u/t = 0.5 von in etwa halber Teilung zwischen zwei benachbarten Stützrippen 15 das Verhältnis Δx/xKS und damit der Versatz der Axialposition des. Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius nach stromabwärts sowie das Verhältnis Δr/xKS und damit der Versatz der Radialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius nach radial innen am größten sind, und in etwa auf den Umfangspositionen u/t = 0 und u/t = 1, auf denen die Vorderkanten 16 der Stützrippen 15 positioniert sind, diese Verhältnisse und damit Versatze am Kleinsten sind.
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Der Bereich 28 der 4 visualisiert einen bevorzugten Gültigkeitsbereich für das sich in Umfangsrichtung u bzw. u/t verändernde Verhältnis Δx/xKS und/oder Δr/xKS und damit den sich in Umfangsrichtung u bzw. u/t verändernden Versatz der Axialposition und/oder der Radialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius.
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Die Verhältnisse Δx/xKS und Δr/xKS betragen bis zu 40%.
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Die Verhältnisse Δx/xKS und Δr/xKS betragen auf der Umfangsposition u/t = 0.5 von in etwa halber Teilung zwischen zwei Stützrippen 15 maximal 40% und minimal 2%. Die Verhältnisse Δx/xKS und Δr/xKS betragen auf den Umfangspositionen u/t = 0 und u/t = 1 0%. Dazwischen verändern sich diese Verhältnisse Δx/xKS und Δr/xKS kontinuierlich, steig und vorzugsweise nicht linear.
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Insbesondere beträgt das sich in Umfangsrichtung u bzw. u/t verändernde Verhältnis Δx/xKS auf der Umfangsposition u/t = 0.5 von in etwa halber Teilung zwischen zwei Stützrippen 15 insbesondere zwischen 2% und 25%.
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Das sich in Umfangsrichtung u bzw. u/t verändernde Verhältnis Δr/xKS beträgt auf der Umfangsposition u/t = 0.5 von in etwa halber Teilung zwischen zwei Stützrippen 15 insbesondere zwischen 2% und 5%.
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Die Kurve 29 innerhalb des Bereichs 28 visualisiert das bevorzugte, sich in Umfangsrichtung verändernde Verhältnis Δx/xKS und damit den sich in Umfangsrichtung verändernden Versatz der Axialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius, wobei gemäß der Kurve 29 der Versatz der Axialposition im Bereich halber Teilung zwischen zwei benachbarten Stützrippen am Größten ist und das Verhältnis Δx/xKS in etwa 20% beträgt.
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Die Kurve 30 innerhalb des Bereichs 28 verdeutlicht das bevorzugte, sich in Umfangsrichtung verändernde Verhältnis Δr/xKS und damit den sich in Umfangsrichtung verändernden Versatz der Radialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius, wobei bei in etwa halber Teilung zwischen benachbarten Stützrippen das Verhältnis Δr/xKS in etwa 2.5% beträgt und der Versatz der Radialposition im Bereich halber Teilung zwischen zwei benachbarten Stützrippen am Größten ist.
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In Umfangsrichtung gesehen verändern sich der Versatz der Axialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius und der Versatz der Radialposition des Begrenzungswandpunkts 26 mit minimalem Krümmungsradius bzw. die obigen Verhältnisse Δx/xKS und Δr/xKS jeweils kontinuierlich bzw. stetig und vorzugsweise nicht linear.
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5 visualisiert den Effekt der erfindungsgemäßen Konturierung der radial außen liegenden Begrenzungswand 24 des Übergangsströmungskanals 33 wobei in 5 auf der horizontal verlaufenden Achse ein Verhältnis (p – pm)/pm zwischen der Differenz (p – pm) des statischen Drucks p der Gasströmung im Übergangsströmungskanal 14 und dem Mittelwert pm dieses statischen Drucks und dem Mittelwert pm aufgetragen ist, und wobei auf der vertikal verlaufenden Achse die dimensionslose Umfangsrichtung u/t aufgetragen ist.
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Die Kurve 31 der 5 entspricht einem sich nach dem Stand der Technik einstellenden Verlauf des Verhältnisses (p – pm)/pm und die Kurve 32 dem sich nach der Erfindung einstellenden Verlauf des Verhältnisses (p – pm)/pm.
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5 kann entnommen werden, dass mit der Erfindung ein verbesserter, gleichförmiger Druckverlauf des statischen Drucks in Umfangsrichtung bereitgestellt werden kann, wodurch der Ausbildung einer Sekundärströmung im Mündungsabschnitt des Kühlluftströmungskanals 19 in den Übergangsströmungskanal 33 effektiv entgegengewirkt werden kann. Dadurch kann ein ungehinderter Eintritt der Kühlluftströmung in den Übergangsströmungskanal 33 gewährleistet werden, wodurch der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessert werden kann. Weiterhin kann die Strömung im Übergangsströmungskanal 33 zwischen benachbarten Stützrippen 15 verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rotor
- 11
- Hochdruckturbine
- 12
- Rotor
- 13
- Niederdruckturbine
- 14
- Zwischengehäuse
- 15
- Stützrippe
- 16
- Vorderkante
- 17
- Hinterkante
- 18
- Seitenwand
- 19
- Kavität
- 20
- Gasströmung
- 21
- Kühlluftströmung
- 22
- Sekundärströmung
- 23
- radial innere Begrenzungswand
- 24, 24'
- radial äußere Begrenzungswand
- 25
- Begrenzungswand
- 26
- Begrenzungswandpunkt
- 27
- Ende
- 28
- Bereich
- 29
- Kurve
- 30
- Kurve
- 31
- Kurve
- 32
- Kurve
- 33
- Übergangsströmungskanal
- 34
- Vorderkante