EP1382855B1

EP1382855B1 - Strömungsarbeitsmaschine mit integriertem Fluidzirkulationssystem

Info

Publication number: EP1382855B1
Application number: EP03011631A
Authority: EP
Inventors: Volker Dr.-Ing. Gümmer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2002-07-20
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: US7077623B2; US20040081552A1; EP1382855A3; DE50305466D1; EP1382855A2; ES2272841T3; DE10233032A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsarbeitsmaschine mit einem integrierten Fluidzirkulationssystem.
Die aerodynamische Belastbarkeit von Bauelementen einer Strömungsarbeitsmaschine, beispielsweise Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren, wird durch das Wachstum und die Ablösung von Profilgrenzschichten an den Schaufeloberflächen und den Seitenwandgrenzschichten, die auf der Nabe und dem Gehäuse ausgebildet sind, begrenzt.
Der Stand der Technik zeigt für Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren nur bedingt Konzepte zur internen Führung eines an besonders vorteilhaften Stellen abgesaugten Fluids und dessen Wiederzuführung an besonders vorteilhaften Stellen in den Hauptströmungspfad.
In den meisten Fällen zeigt der Stand der Technik Lösungen, bei denen eine abgesaugte Fluidmenge entweder unter Ausnutzung eines bestehenden Druckgefälles oder mit Hilfe einer externen Pumpe dauerhaft vom Hauptströmungspfad des Fluids entfernt wird. Dies geschieht entweder am Axialspalt zwischen zwei Schaufelreihen oder an Oberflächen der Schaufelreihe selbst. Auch existieren Lösungen, bei denen Fluid am Axialspalt oder einer Schaufelreihe von externer Quelle zugeführt wird.
Es sind auch einzelne Lösungen bekannt, bei denen eine kontinuierliche Fluidzirkulation lediglich an einer einzelnen Schaufel, beispielsweise einer Rotorschaufel, erfolgt, an welcher Fluid von der Oberfläche abgesaugt und an der selben Schaufel im Blattspitzenbereich wieder eingeblasen wird.
Andere aus dem Stand der Technik bekannte Konzepte sehen eine nicht-kontinuierliche Rezirkulation des Fluids von den hinteren zu den vorderen Stufen eines Verdichters vor, um die Stufenverstimmung bei Teillastbetrieb zu beeinflussen. In diesen Fällen beschränkt sich der Austausch von Fluid auf die zwischen den Schaufelreihen der Strömungsarbeitsmaschine liegenden Axialspalte.
Ebenfalls Stand der Technik sind einzelne Lösungen, die eine kontinuierliche Fluidzirkulation zwischen unterschiedlichen Schaufelreihen eines Verdichters vorsehen. Hier wird mit Hilfe des bestehenden Druckgefälles an einer stromabgelegenen Schaufelreihe oder einem dortigen Axialspalt Fluid entnommen und an einer stromaufgelegenen Schaufelreihe wieder zugeführt.
Eine Absaugung an Rotoren und Statoren und eine Ableitung des Fluids an einen Ort außerhalb der Strömungspfade der Strömungsarbeitsmaschine zeigen die US 2,720,356 und US 5,904,470, die EP 1 013 937 A2 sowie die DE 1 815 229 A.
Aus der US 5,480,284 und der GB-A-2 187 261 ist eine kontinuierliche Fluidzirkulation innerhalb einzelner Rotorschaufeln vorbekannt.
Eine kontinuierliche Rezirkulation von Fluid zwischen Axialspalt und Schaufelreihe ist aus DE 1 428 188 A bekannt, während eine Rezirkulation von Schaufelreihe zu Schaufelreihe in den US 2,749,027, US 2,933,238 und US 2,870,957 gezeigt wird.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zeichnen sich durch eine Reihe erheblicher Nachteile aus.
Einige der existierenden Konzepte, die durch Grenzschichtabsaugung oder Fluideinblasung eine zusätzliche Stabilisierung der Strömung in der Strömungsarbeitsmaschine erreichen wollen, lassen den Aspekt einer Zirkulation der Sekundärfluidmengen zwischen Oberflächen unterschiedlicher Schaufelreihen der Strömungsarbeitsmaschine unberücksichtigt. Zumeist wird Fluid - in einigen Fällen sogar unter Aufbringung zusätzlicher Energien - dauerhaft vom Hauptströmungspfad entfernt oder aus externer Quelle zugeführt.
Sowohl ein zusätzlicher Energieaufwand als auch ein Verlust an Massenstrom durch die Strömungsarbeitsmaschine verursachen Verluste für den thermodynamischen Prozess des die Strömungsarbeitsmaschine umgebenden Gesamtsystems. Derartige Gesamtsysteme können beispielsweise Gasturbinen, Flugtriebwerke Kraftwerksanlagen oder Ähnliches sein. Vereinzelte Konzepte nutzen eine Rezirkulation von Schaufelreihe zu Schaufelreihe, doch dient jede Schaufelreihe entweder allein der Fluidentnahme oder der Fluidzufuhr.
Keines der existierenden Konzepte sieht an ein und derselben Schaufelreihe eine bifunktionale Strömungsbeeinflussung, d. h. eine Verbindung von Fluidentnahme und Fluidzufuhr und somit eine hochwirksame Kombination von Grenzschichtabsaugung und Einblasung vor. Ein integriertes Zirkulationssystem für eine repetierende Verwirklichung der bifunktionalen Strömungsbeeinflussung über mehrere Stufen der Strömungsarbeitsmaschine gibt es ebenfalls nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsarbeitsmaschine zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau, geringer Teileanzahl und kostengünstiger Herstellbarkeit unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine besonders hohe aerodynamische Belastung aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Strömungsarbeitmaschinen wie Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren in axialer, halbaxialer oder radialer Bauart mit gasförmigem oder flüssigem Arbeitsmedium (Fluid). Die Strömungsarbeitmaschine besteht aus einer oder mehreren Stufen. Jede Stufe umfasst üblicherweise einen Rotor und einen Stator, in Einzelfällen existiert lediglich ein Rotor. Der Rotor besteht dabei aus einer Anzahl von Schaufeln, die mit der rotierenden Welle der Strömungsarbeitmaschine verbunden sind und Energie an das Arbeitsmedium abgeben. Der Rotor kann mit oder ohne Deckband am äußeren Schaufelende ausgeführt sein. Der Stator wiederum besteht aus einer Anzahl feststehender Schaufeln, die entweder an beiden Enden mit Deckband oder nabenseitig mit freiem Schaufelende ausgeführt sein können. Die Strömungsarbeitmaschine ist üblicherweise von einem Gehäuse umgeben, in anderen Fällen (z. B. bei Propellern oder Schiffsschrauben) existiert kein Gehäuse. Die Strömungsarbeitmaschine kann einen Stator vor dem ersten Rotor aufweisen (Vorleitrad). Alternativ hierzu kann mindestens ein Stator oder Vorleitrad drehbar gelagert sein und zur Verstellung eine von außerhalb des Gehäuses zugängliche Spindel aufweisen. In besonderer Ausgestaltung kann die Strömungsarbeitsmaschine ebenfalls mindestens eine Reihe verstellbarer Rotoren aufweisen.
In alternativer Konfiguration kann die besagte Strömungsarbeitsmaschine bei Mehrstufigkeit zwei gegenläufige Wellen besitzen, so daß die Rotorschaufelreihen von Stufe zu Stufe die Drehrichtung wechseln. Hierbei existieren keine Statoren zwischen aufeinander folgenden Rotoren. Schließlich kann die Strömungsarbeitsmaschine eine Nebenstromkonfiguration derart aufweisen, dass sich der einstromige Ringkanal hinter einer der Schaufelreihen in zwei konzentrische Ringkanäle aufteilt, die ihrerseits mindestens jeweils eine Schaufelreihe beherbergen. Erfindungsgemäß sind an mindestens einer Schaufelreihe (Rotor oder Stator) der Strömungsarbeitmaschine sowohl eine Einrichtung zur Entnahme von Fluid aus dem Hauptströmungspfad als auch eine Einrichtung zur Zufuhr von Fluid in den Hauptströmungspfad vorgesehen (bifunktionale Strömungsbeeinflussung). Dabei existiert in Verbindung mit der Entnahmevorrichtung mindestens eine Leitung zur Rückführung des entnommenen Fluids zu einer weiter stromaufgelegenen Stelle am Hauptströmungspfad. Die Zufuhreinrichtung hingegen ist an mindestens eine Leitung angeschlossen, zu der von einer weiter stromab gelegenen Position am Hauptströmungspfad Fluid zurückgeleitet wird. Erfindungsgemäß erstreckt sich dieses Wirkprinzip bei Verknüpfung mehrerer Schaufelreihen zu einem integrierten Fluidzirkulationssystems repetierend über mehrere Stufen der Strömungsarbeitmaschine.
Zentraler Gegenstand der Erfindung ist somit ein integriertes System zur kontinuierlichen Fluidzirkulation, welches eine bifunktionale Strömungsbeeinflussung an mindestens einer Schaufelreihe ermöglicht und sich daher hinsichtlich des Konzeptes, der Wirkkraft und der Wiederanwendung entlang mehrerer Stufen der Strömungsarbeitmaschine von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen unterscheidet.
Erfindungsgemäß sind an mindestens einer Schaufelreihe der Strömungsarbeitsmaschine sowohl mindestens eine Einrichtung zur Fluidentnahme als auch mindestens eine Einrichtung zur Fluidzufuhr an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen vorgesehen. Bevorzugterweise setzt sich dieses Merkmal über mehrere Schaufelreihen derart fort, daß eine Einrichtung zur Fluidentnahme an zumindest einer Schaufel von mindestens einer Stator- oder Rotorreihe über mindestens eine Leitung an eine Einrichtung zur Fluidzufuhr mündet, die sich an einer stromauf gelegenen Stelle des Strömungspfads an mindestens einer Schaufel von mindestens einer Stator- oder Rotorreihe befindet.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Leitungen können entweder eine freie Strömung des Fluids ermöglichen oder alternativ mit einem festen oder auch variabel regelbaren Drosselorgan versehen sein.
Weiterhin kann es günstig sein, wenn die Leitung zur Sammlung von entnommenen Fluidmengen von einzelnen Schaufeln der Strömungsarbeitsmaschine mit einer vorzugsweise an der Peripherie des Hauptströmungspfads gelegene Abfuhrkammer versehen ist, in welche einzelne Leitungen münden bzw. von welcher die oder die mehreren Leitungen ausgehen. In gleicher Weise kann eine Zufuhrkammer vorgesehen sein. Sowohl die Abfuhrkammer als auch die Zufuhrkammer dienen einer Vergleichmäßigung der Fluidströmung sowie einem entsprechenden, gegebenenfalls erforderlichen Druckausgleich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig.1: eine schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Fluidentnahme oder Fluidzufuhr,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Fluidzirkulation,
Fig. 3: eine Darstellung einiger möglicher Konfigurationen der Strömungsarbeitsmaschine
Fig. 4: die Definition der schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen, erforderlich zum Verständnis der Erfindung,
Fig. 5: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lösungskonzeptes,
Fig. 6: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fluidzirkulationssystems,
Fig. 7: ein alternatives Ausführungsbeispiel, analog Fig. 6,
Fig. 8: ein Ausführungsbeispiel mit variabler Leitschaufelgestaltung.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Fluidentnahme bzw. Fluidzufuhr. Dabei ist ersichtlich, daß ein Abblasen von Fluid entweder von einem Rotor oder einem Stator (Rotor- oder Statorschaufel) weg von der Strömungsarbeitsmaschine erfolgt. Dabei kann eine Hilfspumpe 3 zum Einsatz kommen. Weiterhin ist es bekannt, aus einer externen Quelle, zum Beispiel einer Hilfspumpe, einem Rotor oder Stator Fluid zuzuführen.
Die Fig. 2 beschreibt weitere Lösungen nach dem Stand der Technik. Dazu gehören die Rezirkulation zwischen Axialspalten, die Rezirkulation zwischen Axialspalt und Schaufelreihe (Rotor oder Stator), sowie die Rezirkulation zwischen Schaufelreihen (Rotor oder Stator).
Die Fig. 3 zeigt, um die Anwendungsbreite der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen, einige mögliche Konfigurationen des Hauptströmungspfades der erfindungsgemäßen Strömungsarbeitsmaschine mit integriertem Fluidzirkulationssystem.
Die Fig. 4 zeigt die Definitionen des erfindungsgemäß verwendeten Begriffs der "schaufelkanalbegrenzende Oberflächen". Dabei ist, wie sich aus der Beschriftung der Fig. 4 ergibt, eine unterschiedliche Anordnung und Dimensionierung der einzelnen Bereiche vorgesehen.
Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Konzepts mit einer kontinuierlichen Fluidzirkulation. Dabei ist ersichtlich daß hier Zirkulationsleitungen jeweils alternierend zwischen Rotoren 1 und Statoren 2 vorgesehen sind, um den Schaufelreihen die erfindungsgemäße Bifunktionalität zu geben. Mittels der schematisch dargestellten Leitung 4 ist es jeweils möglich, Fluid abzusaugen oder abzuführen und an einem Ort stromauf des Strömungspfades der Strömungsarbeitsmaschine zu leiten, um es dort wieder zuzuführen. Die Fluidentnahme und -zufuhr kann entweder an einem Rotor oder an einem Stator (bzw. an einer jeweiligen Schaufel desselben) erfolgen, wobei das Fluid durch im Einzelnen nicht dargestellte Ausnehmungen in Schaufeln des Rotors oder Stators ein- oder austritt. Wie die Fig. 5 zeigt, kann die Leitung 4 entweder Statoren oder Rotoren miteinander verbinden, es ist jedoch ebenso möglich Fluid von einem Rotor zu entnehmen und einem Stator zuzuführen oder von einem Stator zu entnehmen und einem Rotor zuzuführen, um die Bifunktionalität (Fluidentnahme und -zufuhr gleichzeitig) einer oder mehrerer Schaufelreihen zu gewährleisten. Die Art der Fluidzufuhr in den Hauptströmungspfad stromauf einer bifunktional versorgten Schaufelreihe oder einer Sequenz bifunktional versorgter Schaufelreihen ist, wie die Art der Fluidentnahme aus dem Hauptströmungspfad stromab einer bifunktional versorgten Schaufelreihe oder einer Sequenz bifunktional versorgter Schaufelreihen, frei wählbar.
Alternativ ist es auch möglich, in der Leitung 4 ein Drosselorgan 5 vorzusehen, welches gegebenenfalls variabel verstellbar ist, um die erfindungsgemäße Ausgestaltung an unterschiedliche Betriebszustände der Strömungsarbeitsmaschine anpassen zu können.
Erfindungsgemäß erfolgt die Entnahme von Fluid aus dem Strömungspfad der Strömungsarbeitsmaschine durch schaufelkanalbegrenzende Oberflächen an mindestens einer Schaufel mindestens einer Rotor- oder Statorreihe 1, 2 verbunden mit einer Sammlung und Führung des Fluids zu mindestens einer weiter stromauf gelegenen Schaufelreihe, verbunden mit einer Zufuhr des Fluids in den Strömungspfad der Strömungsarbeitsmaschine durch schaufelkanalbegrenzende Oberflächen an mindestens einer Schaufel einer Rotor- oder Statorreihe 1 bzw. 2. Es erfolgt die Überführung des Fluids von der Entnahmestelle zur Zufuhrstelle mittels der Leitung 4 bei freiem Leitungs-/Kammerströmungsquerschnitt oder aber in restringierter Weise über ein optional modulierbares Drosselorgan 5 im Überführungsweg bzw. in der Leitung 4. Erfindungsgemäß ist das Zirkulationssystem stets so beschaffen, daß an mindestens einer Schaufel einer Rotor- oder Statorreihe durch gleichzeitiges Vorhandensein einer Entnahmestelle und einer Zufuhrstelle eine bifunktionale Strömungsbeeinflussung möglich, und somit Bifunktionalität hergestellt ist.
Schaufelkanalbegrenzende Oberflächen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind wie in Fig. 4 dargestellt, alle Oberflächen einer Schaufel selbst (Saugseite, Druckseite, Vorderkante und Hinterkante), Oberflächen an Nabe und Gehäuse der Strömungsarbeitsmaschine mit einer Lage zwischen der Vorder- und Hinterkante der betrachteten Schaufelreihe, Oberflachen an Nabe oder Gehäuse mit fester Verbindung zur Schaufel (Schaufelplattformen, Deckbänder, Blisk- oder Bling-Konfigurationen) zwischen einem Ort 25% der örtlichen meridionalen Schaufelsehnenlänge (CmG bzw. CmN) vor der Vorderkante gelegen und der Vorderkante selbst, Oberflachen an Nabe oder Gehäuse ohne feste Verbindung zur Schaufel (freie Rotor- oder Statorenden) zwischen einem Ort 35% der örtlichen meridionalen Schaufelsehnenlänge (CmG bzw. CmN) vor der Vorderkante gelegen und der Vorderkante selbst.
Im Nachfolgenden wird auf die Ausführungsbeispiele der Fign. 6 und 7 eingegangen.
Die Fig. 6 zeigt eine an oder in einem nicht weiter im Detail dargestellten Gehäuse der Strömungsarbeitsmaschine ausgebildete Fluidabfuhrkammer 6 mit beliebig wählbarer Formgebung, welche mit der Leitung 4 verbunden ist und mit mindestens einer Öffnung an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen mindestens einer Schaufel einer Statorreihe bzw. eines Stators 2 in Verbindung steht. Weiterhin ist ersichtlich, dass die Leitung 4 im Bereich des Gehäuses ausgebildet ist und einen Überführungsweg bildet. Es ist zumindest eine Leitung 4 und/oder eine Abfuhrkammer 6 vorgesehen. Die Leitung 4 mündet in eine im oder am Gehäuse befindliche Fluidzufuhrkammer 7, welche hinsichtlich ihrer Dimensionierung und Formgebung ausgestaltbar ist und in Verbindung steht mit zumindest einer Öffnung an einer schaufelkanalbegrenzenden Oberfläche mindestens einer Schaufel einer weiter stromauf befindlichen Statorreihe bzw. eines Stators 2. Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Bifunktionalität weist mindestens eine Schaufel mindestens einer der ins Fluidzirkulationssystem eingebundenen Statorreihen eine Anzahl von Öffnungen an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen auf, von denen ein Teil mit einer Abfuhrkammer 6 und der verbleibende Teil mit einer Zufuhrkammer 7 verbunden ist.
Alternativ oder in Kombination hierzu zeigt die Fig. 6 in ihrer unteren Hälfte der Darstellung eine Ausgestaltungsvariante, bei welcher die Abfuhrkammer 6, die Leitungen 4 sowie die Zufuhrkammer 7 einzelnen Rotorreihen zugeordnet sind. Die Leitungen 4 sind in diesem Fall in oder an der Rotortrommel bzw. der Nabe des Rotors ausgebildet. Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Bifunktionalität weist mindestens eine Schaufel mindestens einer der ins Fluidzirkulationssystem eingebundenen Rotorreihen eine Anzahl von Öffnungen an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen auf, von denen ein Teil mit einer Abfuhrkammer 6 und der verbleibende Teil mit einer Zufuhrkammer 7 verbunden ist.
Die Fig. 7 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei welcher eine in oder an der Rotortrommel befindliche Fluidabfuhrkammer 6 wählbarer Formgebung in Verbindung steht mit mindestens einer Öffnung an einer schaufelkanalbegrenzenden Oberfläche mindestens einer Schaufel einer Statorreihe 2. Weiterhin ist ein in der Rotortrommel 1 befindlicher Überführungsweg (Leitung 4) aus mindestens einer Leitung und/oder einer Kammer wählbarer Form vorgesehen, welche in Verbindung steht mit Fluidabfuhrkammer 6. In oder an der Rotortrommel ist eine Fluidzufuhrkammer 7 wählbarer Formgebung ausgebildet, welche in Verbindung steht mit mindestens einer Öffnung an einer schaufelkanalbegrenzenden Oberfläche mindestens einer Schaufel einer weiter stromauf befindlichen Statorreihe 2. Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Bifunktionalität weist mindestens eine Schaufel mindestens einer der ins Fluidzirkulationssystem eingebundenen Statorreihen eine Anzahl von Öffnungen an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen auf, von denen ein Teil mit einer Abfuhrkammer 6 und der verbleibende Teil mit einer Zufuhrkammer 7 verbunden ist.
Weiterhin zeigt die Fig. 7 eine alternative oder auch zusätzliche Ausgestaltung, bei welcher eine im oder am Gehäuse befindliche Fluidabfuhrkammer 6 wählbarer Formgebung mit mindestens einer Öffnung an einer schaufelkanalbegrenzenden Oberfläche mindestens einer Schaufel einer Rotorreihe 1 in Verbindung steht. Im oder auch am Gehäuse ist ein Überführungsweg (Leitung 4) ausgebildet. Dieser umfasst, wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, mindestens eine Leitung und/oder eine Kammer wählbarer Formgebung, die in Verbindung steht mit mindestens einer Öffnung an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen mindestens einer Schaufel einer weiter stromauf befindlichen Rotorreihe 1. Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Bifunktionalität weist mindestens eine Schaufel mindestens einer der ins Fluidzirkulationssystem eingebundenen Rotorreihen eine Anzahl von Öffnungen an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen auf, von denen ein Teil mit einer Abfuhrkammer 6 und der verbleibende Teil mit einer Zufuhrkammer 7 verbünden ist.
Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, sind erfindungsgemäß unterschiedlichste Ausgestaltungen und Zuordnungen der Fluidrückführung möglich, um Bifunktionalität an einer oder mehreren Schaufelreihen herzustellen. Entweder, wie in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt, von Rotor zu Rotor beziehungsweise von Stator zu Stator, oder aber von Rotor zu Stator beziehungsweise von Stator zu Rotor, wobei die Leitung 4 entweder am oder im Gehäuse bzw. an oder in der Rotortrommel (Nabe) ausgebildet sein kann. Weiterhin ergibt sich, dass die Rückführung des Fluids auch Möglichkeiten einschließt, bei welchen das Fluid weiter als zur nächst folgenden Rotor- oder Statorreihe rückgeführt wird. Es sind somit eine Vielzahl von Kombinationen im Rahmen der Erfindung möglich.
Die Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer variablen Statorschaufel eines Stators 2, die auch eine Vorleitschaufel sein kann. Diese weist erfindungsgemäß die oben beschriebenen bifunktionale Bauweise auf. Die Statorschaufel besteht aus einem profilierten Schaufelblatt und einer mit diesem verbundenen Spindel, die durch das Gehäuse der Strömungsarbeitsmaschine nach außen führt und dort die Anbindung an einen beliebigen Verstellmechanismus ermöglicht. Die Spindel 8 ist um ihre eigene Achse drehbar am oder im Gehäuse gelagert und besitzt einen beliebigen Querschnittsverlauf entlang ihrer Achse. Die Spindel ist innen hohl und weist auf ihrer ganzen Länge oder über Teilen ihrer Länge zwei nebeneinander oder ineinander liegende Kanäle auf. Einer der besagten Kanäle der Spindel 8 dient der Fluidzufuhr zur Schaufel und besitzt zu diesem Zweck einen seitlichen oder kopfseitigen Einlass, der das Einströmen aus der Fluidzufuhrkammer 7 ermöglicht. Zur weiteren Fluidführung steht dieser Spindelkanal über mindestens einen Hohlraum im Schaufelinnern mit zumindest einer Öffnung an Oberflächen der variablen Statorschaufel in Verbindung. Der andere der genannte Spindelkanäle sthet über mindestens einen Hohlraum im Schaufelinnern mit mindestens einer Öffnung an Oberflächen der variablen Statorschaufel in Verbindung. Dieser Spindelkanal dient der Fluidabfuhr von der Schaufel und besitzt zu diesem Zweck einen seitlichen oder kopfseitigen Auslass, der das Ausströmen in die Fluidabfuhrkammer 6 ermöglicht. Die Lagerung der Spindel 8 im Gehäuse kann entweder direkt oder über mindestens eine Gleitbuchse erfolgen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt drei Lagerbuchsen vorgesehen.
Alternativ zu der in Fig. 8 dargestellten Lösung kann eine variable, bifunktionale Statorschaufel erfindungsgemäß neben der Spindel mit Lagerung am Gehäuse eine weitere, innenliegende Spindel mit Lagerung in einem feststehenden Bereich an der Nabe der Strömungsarbeitsmaschine aufweisen. Dann kann es vorteilhaft sein, die Fluidabfuhr über einen nach außen zum Gehäuse führenden Spindelkanal und eine damit in Verbindung stehende Abfuhrkammer am Gehäuse zu ermöglichen, aber die Fluidzufuhr über einen von der Nabe kommenden Spindelkanal und eine damit in Verbindung stehende Zufuhrkammer an der Nabe sicherzustellen. Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, die Fluidzufuhr über einen vom Gehäuse kommenden Spindelkanal und eine damit in Verbindung stehende Zufuhrkammer am Gehäuse zu ermöglichen, aber die Fluidabfuhr über einen nach innen zur Nabe führenden Spindelkanal und eine damit in Verbindung stehende Abfuhrkammer an der Nabe sicherzustellen. Schließlich kann erfindungsgemäß bei Lagerung der Spindel im Bereich der Nabe und unabhängig vom Vorhanden- oder auch Nichtvorhandensein einer außenliegenden Spindel, die Fluidzufuhr und die Fluidabfuhr über nebeneinander oder ineinander liegende, zur Nabe führende Spindelkanäle und ebenfalls an der Nabe befindliche Fluidzufuhr- und Abfuhrkammern sichergestellt werden. Dabei gelten die zuvor für den Fall "Fluidzufuhr und Fluidabfuhr am Gehäuse" aufgestellten konstruktiven Gestaltungsregeln.
Wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt, ermöglicht die erfindungsgemäße Strömungsarbeitsmaschine mit dem erfindungsgemäßen Fluidzirkulationssystem ein bisher unerreichtes Maß an aktiver Grenzschichtbeeinflussung in Strömungsarbeitsmaschinen unterschiedlicherster Ausgestaltung, wie etwa Bläsern, Verdichtern, Pumpen, Ventilatoren, Propellern und Schiffsschrauben.
Das erfindungsgemäße Fluidzirkulationssystem arbeitet kontinuierlich aktiv und führt über einen weiten Betriebsbereich der Strömungsarbeitsmaschine zu einer starken Erhöhung der aerodynamischen Belastbarkeit.
Weiterhin ergibt die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine wesentlich knappere Dimensionierung der gesamten Strömungsarbeitsmaschine. Das erfindungsgemäße Fluidzirkulationssystem ist selbsttreibend und erfordert keine Energiezufuhr von außerhalb der Strömungsarbeitsmaschine. Durch die vollständig modulintern ablaufende Zirkulation von Fluid wird ein Fluidmassenverlust zwischen Ein- und Austritt der Strömungsarbeitsmaschine vermieden. Es wird somit eine effektive Wiederverwendung des abgesaugten Fluids an anderer Stelle der Strömungsarbeitsmaschine ermöglicht.
Die Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, dass insbesondere durch die erfindungsgemäße Bifunktionalität einer oder mehrerer Schaufelreihen ein sehr intensiver Austausch von Fluid zwischen schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen erreicht wird, also den Flächen, welche maßgeblich am Grenzschichtaufbau und an der Verlustentstehung in der Maschine beteiligt sind. Die systematische Wiederholung entlang der Stufen der Strömungsarbeitsmaschine sowie das Ineinandergreifen eines oder mehrerer Fluidentnahme/-zufuhr-Schemata ist Ursache für die Erzielung einer stark erhöhten aerodynamischen Belastbarkeit aller Schaufelreihen der Strömungsarbeitsmaschine (Rotoren und Statoren).
Je nach Variante und Ausgestaltung der Erfindung wird eine Erhöhung der Belastbarkeit der Strömungsarbeitsmaschine um den Faktor 1,5 bis 2,5 ermöglicht. Für ein gegebenes Druckverhältnis der Strömungsarbeitsmaschine lässt sich unter Beibehaltung oder Verbesserung des Wirkungsgrades von bis zu 2% die Anzahl der verbauten Teile um etwa 50% gegenüber einer konventionell gebauten Strömungsarbeitsmaschine senken. Hierdurch ist eine Kostenreduzierung um rund 20% erreichbar.
Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung im Verdichter eines Flugtriebwerks von beispielsweise 25.000 Pfund Schub ergibt sich eine Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs von bis zu 1%.
Es wird erfindungsgemäß eine neuartige und hocheffektive Möglichkeit aufgezeigt, die Belastungs- und Leistungswerte von Strömungsarbeitsmaschinen signifikant zu erhöhen. Spezielle Formen der Strömungsarbeitsmaschine mit einem integrierten Fluidzirkulationssystem wurden detailliert dargelegt, doch ist die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.

Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Stator
3: Hilfspumpe
4: Leitung
5: Drosselorgan
6: Abfuhrkammer
7: Zufuhrkammer
8: Spindel

Claims

Strömungsarbeitsmaschine mit zumindest einer Rotorreihe (1) und einer freien Anzahl von Statorreihen (2), die von einem Fluid durchströmt werden, mit zumindest einer Schaufel, die an schaufelkanalbegrenzenden Oberflächen sowohl eine Einrichtung zur Entnahme von Fluid aus dem Strömungspfad als auch eine Einrichtung zur Fluidzufuhr in den Strömungspfad aufweist, mit zumindest einer Leitung (4) zur Rückführung des entnommenen Fluids an eine stromauf der Schaufel gelegene Position des Strömungspfads und zumindest einer weiteren Leitung (4) zur Heranleitung des zuzuführenden Fluids von einer weiter stromab als die Schaufel gelegenen Position des Strömungspfads.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Fluidentnahme an mindestens einer Schaufel von mindestens einer Stator- oder Rotorreihe von Schaufeln ausgebildet ist und über zumindest eine Leitung (4) an einer Einrichtung zur Fluidzufuhr an mindestens einer anderen Schaufel einer Rotor- oder Statorreihe mündet.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Fluidzufuhr an mindestens einer Schaufel von mindestens einer Stator- oder Rotorreihe von Schaufeln ausgebildet ist und über zumindest eine Leitung (4) von einer Einrichtung zur Fluidentnahme an mindestens einer anderen Schaufel einer Rotor- oder Statorreihe gespeist wird.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (4) ein Drosselorgan (5) angeordnet ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) eine freie Strömung des Fluids ermöglicht.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel mit einer Einrichtung zur variablen Steuerung des Fluid-Strömungsquerschnitts zur Entnahme bzw. Zufuhr versehen ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) zur Sammlung von entnommenen Fluidmengen von einzelnen Schaufeln mit einer Abfuhrkammer (6) versehen ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) zur Sammlung von zuzuführenden Fluidmengen zu einzelnen Schaufeln mit einer Zufuhrkammer (7) versehen ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer verdrehbar gelagerten Statorschaufel je ein zum Gehäuse oder zur Nabe hin aus dem Strömungspfad herausführender Fluidzufuhr- und Fluidabfuhrkanal innerhalb der Drehspindel zur Ausbildung einer Bifunktionalität vorgesehen ist.