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Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelsegment für einen Strömungskanal eines Flugtriebwerks mit einem Deckband, insbesondere für einen Verdichter eines Flugtriebwerks.
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In einem Strömungskanal von Verdichtern in einem Flugtriebwerk werden Leitschaufeln zur Umlenkung der Strömungen verwendet. Die Leitschaufeln sind dabei zwischen einem Innengehäuse und einem Außengehäuse angeordnet. Das Außengehäuse kann dabei ein Zwischengehäuse und der Strömungskanal kann ein Kernstromkanal des Flugtriebwerks sein. Dabei werden die Leitschaufeln üblicherweise einzeln in die Gehäuse oder in einen Rahmen und dann in das Gehäuse eingesetzt, wobei Spalte entstehen, durch die Leckagen auftreten können. Um die Leckage zu verringern, kann eine Reihe von Leitschaufeln über ein gemeinsames Deckband zu einem Leitschaufelsegment zusammengefasst sein, so dass die Anzahl der Spalte reduziert wird. An dem Außengehäuse eingesetzt, wird das Leitschaufelsegment mittels einer Hakenanordnung gegen eine Verschiebung gesichert. Die Leitschaufelsegmente sind im Betrieb des Verdichters hohen Temperaturunterschieden zwischen einem Außenbereich und einem Inneren des Strömungskanals ausgesetzt. Die damit vorliegenden Temperaturgradienten führen im Betrieb des Flugtriebwerks zu einer Entwölbung in dem Deckband des Leitschaufelsegments, wodurch einerseits in einer angrenzenden, die Hakenanordnung aufnehmende Gehäusenut stellenweise ein erhöhter Anpressdruck entstehen kann und andererseits die zwischen dem Gehäuse und dem Deckband sowie der Hakenanordnung vorliegenden Spalte, aber auch der Luftspalte der angrenzenden Rotoren und dem Außengehäuse aufweiten können.
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Dieser Entwölbungseffekt ist insbesondere bei größeren Segmenten problematisch, da sich die aufgrund der thermischen Spannungen auftretenden mechanischen Verbiegungen zwischen den Enden des Deckbands aufsummieren und umso größer sind, je weiter sich die Segmente in Umfangsrichtung erstrecken. Die Entwölbung des Deckbandes muss daher bei der Auslegung der Spalte berücksichtigt werden, was insbesondere nachteilig im Bereich der Leitschaufelhaken und in der Gehäusenut des Strömungskanals zu Verstärkungen und/oder bei der Auslegung der Gehäusespalte, insbesondere auch bei den Luftspalten der angrenzenden Rotoren, zu größeren Spaltmaßen führt.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein Leitschaufelsegment anzugeben, das die oben genannten Nachteile zumindest teilweise reduziert oder vermeidet. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung ein Flugtriebwerk anzugeben, in dem die oben genannten Nachteile zumindest teilweise reduziert oder vermieden werden.
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Die Aufgabe wird mit einem Leitschaufelsegment gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe von einem Flugtriebwerk gemäß Anspruch 13 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Leitschaufelsegment für einen Strömungskanal in einem Verdichter eines Flugtriebwerks umfasst eine Reihe von in Umfangsrichtung angeordneten Leitschaufeln und ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes Deckband. Das Deckband verbindet die Leitschaufeln in einem Schaufelfußbereich, das heißt in einem radial äußeren Bereich der Leitschaufeln, in Umfangsrichtung. Insbesondere kann das Deckband einen Wandabschnitt einer Innenwand eines Außengehäuses des Strömungskanals ausbilden. Das Deckband ist zur Befestigung in dem Außengehäuse des Strömungskanals ausgebildet, wobei das Deckband eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Hakenanordnung mit zumindest einem Haken an einer Außenseite des Deckbandes aufweist. Dabei kann der zumindest eine Haken in einer dafür vorgesehenen Gehäusenut in dem Außengehäuse einsetzbar sein. Das Deckband kann in die Gehäusenut in Umfangsrichtung einschiebbar sein und/oder kann mit der Gehäusenut einen Formschluss gegen eine Bewegung in Radialrichtung bilden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform kann der zumindest eine Haken an einem Hakenende zumindest eine Aussparung aufweisen, wobei die Aussparung das Hakenende in Umfangsrichtung teilt. Die zumindest eine Aussparung kann die Hakenanordnung in Hakenabschnitte teilen. Durch die zumindest eine Aussparung werden Spannungen innerhalb des Hakens in Umfangsrichtung vorteilhaft unterbrochen, und die Steifigkeit der Haken in Umfangsrichtung reduziert, wodurch die Entwölbung vorteilhaft reduziert wird. Verformungen summieren sich nicht mehr auf, sondern treten eher lokal in den sich in Umfangsrichtung erstreckenden Hakenabschnitten auf. Vorteilhaft kann die Anzahl der Aussparungen größer oder gleich einer Anzahl der Schaufeln sein. Die zumindest eine Aussparung kann sich insbesondere quer zu einer Umfangserstreckung der Hakenanordnung erstrecken. Die Aussparung kann eine längliche Erstreckung aufweisen, vorzugsweise in Axialrichtung oder schräg zu der Axialrichtung, und kann den Haken in Radialrichtung insbesondere vollständig durchsetzen. Das Hakenende kann sich in Axialrichtung parallel oder annähernd parallel zu einer Triebwerksachse erstrecken und dabei insbesondere eine plane Oberfläche an seiner Außenseite und/oder an seiner Innenseite aufweisen, die parallel zu der Triebwerksachse ausgerichtet ist. Zwischen dem Hakenende und einem Hakenfuß kann ein als Hakenbogen dienender Übergangsbereich angeordnet sein. Die Hakenanordnung kann schienenartig ausgebildet sein.
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In der vorliegenden Beschreibung wird eine Axialrichtung als parallel zu einer Triebwerksachse verlaufend definiert, wobei ein "vorne" im Triebwerkseinlass und ein "hinten" im Triebwerksauslass definiert sind. Richtungen, die senkrecht zu der Triebwerksachse verlaufen, sind als Radialrichtungen definiert. Dabei verlaufen die Radialrichtungen von innen an der Triebwerksachse nach außen. Schließlich ist die Umfangsrichtung als die Richtung um die Triebwerksachse definiert. Eine Radialrichtung und eine Axialrichtung bilden zusammen die Basis einer Meridianebene, ihr Schnitt durch das Triebwerk ist als Meridianschnitt definiert. Querschnitte, die in einer Meridianebene ausgebildet sind und die sich in Umfangsrichtung erstrecken, ergeben einen in Umfangsrichtung gekrümmten Körper.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie den abhängigen Ansprüchen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leitschaufelsegments kann der zumindest eine Haken an dem Hakenende mehrere in Umfangsrichtung verteilte Aussparungen aufweisen. Je mehr Aussparungen vorhanden sind, desto geringer wirkt sich der Entwölbungseffekt auf jeden einzelnen Hakenabschnitt und damit vorteilhaft auf die gesamte Hakenanordnung aus.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Aussparungen in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Durch eine gleichmäßige Verteilung der Aussparungen in Umfangsrichtung können die einzelnen Hakenabschnitte vorteilhaft gleichförmig ausgebildet werden, was die Herstellung vereinfacht und damit die Kosten verringert. Die gleichmäßige Verteilung kann sich auch nur auf einen Unterabschnitt der Hakenanordnung begrenzen, wodurch beispielsweise an den Enden größere und/oder kleinere Abstände zwischen zwei Aussparungen oder zwischen einer Aussparung und einer Deckbandstirnseite bzw. einer Stirnseite der Hakenanordnung vorgesehen sein können. Die Aussparungen bilden bei der Anordnung in Umfangsrichtung eine Reihe von Aussparungen. Von der Reihe der Aussparungen können nur die inneren Aussparungen der Reihe gleichmäßig verteilt angeordnet sein. Die Reihe kann zu den Umfangsenden der Hakenanordnung einen Endabstand aufweisen, wobei der Endabstand von einem Abstand zwischen zwei benachbarten Aussparungen oder allen benachbarten Aussparungen verschieden sein kann.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Haken ein erster Haken mit einem ersten Hakenende ist, und dass die Hakenanordnung einen zweiten Haken mit einem zweiten Hakenende aufweist, und dass der zweite Haken an dem zweiten Hakenende zumindest eine zweite Aussparung aufweist, wobei die zumindest eine zweite Aussparung das zweite Hakenende in Umfangsrichtung teilt. Durch die beidseitige Anordnung von Aussparungen in der Hakenanordnung können die Bauteilspannungen besonders effektiv aufgeteilt werden, so dass der Entwölbungseffekt vorteilhaft noch weiter reduziert wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die beiden Hakenenden des ersten Hakens und des zweiten Hakens in Axialrichtung in entgegengesetzte Richtungen, insbesondere von einer gemeinsamen Plattform aus, auskragen. Eine Oberfläche der Plattform kann dabei gegenüber einer Kante zu einer Vorderseite des Deckbands und/oder gegenüber einer Kante zu einer Hinterseite des Deckbands in Radialrichtung weiter außen angeordnet sein. Die Plattform kann auch als Hakenschaft bezeichnet werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass sich die zumindest eine Aussparung des ersten Hakens und die zumindest eine Aussparung des zweiten Hakens in Axialrichtung in entgegengesetzte Richtungen erstrecken.
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Das heißt die Aussparungen teilen ihr jeweiliges Hakenende und gegebenenfalls den entsprechenden Übergangsbereich von entgegengesetzten Richtungen aus. Besonders bevorzugt können eine Aussparung des ersten Hakens und eine Aussparung des zweiten Hakens in Umfangsrichtung in einer gemeinsamen Schnittebene, insbesondere in einem gemeinsamen Meridianschnitt, angeordnet sein. Die gegenüberliegenden ersten und zweiten Aussparungen können auch versetzt zueinander angeordnet sein, so dass ein Kraftfluss vorteilhaft alternierend durch die Haken verlaufen kann. Der erste Haken kann ein vorderer Haken sein, der zweite Haken kann ein hinterer Haken sein.
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In einer bevorzugten ergänzenden oder alternativen Weiterbildung der Erfindung kann sich die zumindest eine Aussparung in einen abgewinkelten Übergangsbereich des Hakens zwischen dem Hakenende und einem Hakenfuß erstrecken. Der Übergangsbereich kann ein sich von der vorangehend beschriebenen Plattform erstreckender Kragarm sein, von dem das Hakenende insbesondere in Axialrichtung absteht. Der Hakenfuß ist an einer Oberseite des Deckbandes angeordnet und bildet eine Verbindung zwischen der Hakenanordnung und dem übrigen Deckband, das die Leitschaufeln trägt. Der Übergangsbereich kann zu einer Triebwerksachse angewinkelt sein und bevorzugt mit der Triebwerksachse einen Winkel α von 15° bis 45°, insbesondere 20° bis 40°, bevorzugt 25° bis 35°, einschließen. Weist die Hakenanordnung zwei Haken auf, so können beide Haken jeweils einen Übergangsbereich aufweisen. Weist die Hakenanordnung zwei Haken auf, so können die jeweiligen Übergangsbereiche in einer V-Anordnung angeordnet sein. Dabei kann der erste Übergangsbereich des ersten Hakens mit der Triebwerksachse einen Winkel α1 mit einem anderen Wert einschließen als ein Winkel α2, den der zweite Übergangsbereich des zweiten Hakens mit der Triebwerksachse einschließt. Die zwei Haken können sich bevorzugt in entgegengesetzte Richtungen erstrecken.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften und ggf. unabhängig zu beanspruchenden Ausführungsform der Erfindung, kann der zumindest eine Haken einen abgewinkelten Übergangsbereich zwischen dem Hakenende und einem Hakenfuß aufweisen und der abgewinkelte Übergangsbereich kann mit einer Plattform der Schaufel auf der von einer Plattformmitte abgewandten Seite einen Winkel von 70°-20°, insbesondere von 65°-30°, besonders bevorzugt von 35° bis 50° einschließen. Hierdurch lässt sich eine verbesserte Fertigbarkeit in mittels additiver Herstellprozesse erzielen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Hakenfuß gegenüber einem axialen Ende der Plattform eingerückt angeordnet ist, so dass, wenn man einen Schnittpunkt zwischen einer Verlängerung der Vorder- oder Hinterkante der Schaufel der Plattform bildet, der Hakenfuß hinter diesem Schnittpunkt in Richtung zur Mitte der Plattform hin angeordnet ist. In anderen Worten soll der Hakenfuß gegenüber einem Filletbereich der Schaufel in Axialrichtung gegenüber einem axialen Ende der Plattform eingerückt sein.
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Dies bringt, insbesondere in Kombination mit einem abgewinkelten Übergangsbereich aber auch isoliert, Vorteile, da es Spannungsspitzen im Deckband vermeidet, was einer Rissbildung vorbeugt.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der Hakenfuß gegenüber dem axialen Ende der Plattform um mindestens 15%, bevorzugt mindestens 25% besonders bevorzugt um mindestens 30%, weiter bevorzugt um mindestens 35%, weiter bevorzugt um mindestens 40% der Gesamtlänge der Plattform eingerückt sein. Um die Einrückung des Hakenfußes relativ zur axialen Plattformlänge zu bemessen kann ein Abstand zwischen einem axialen Ende der Plattform und einem Schnittpunkt genommen werden, wobei der Schnittpunkt in einem Meridionalschnitt gesehen ein Schnittpunkt einer Achse durch die Mitte der Längserstreckung des Übergangsbereichs des Hakens und der Radialen Plattformaußenseite ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Leitschaufelsegment zwei Haken aufweisen, wobei zwischen den beiden Hakenenden ein radialer Versatz besteht, insbesondere ein Versatz um mindestens der radialen Dicke des Hakenendes eines der beiden Haken.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann die Aussparung in einem einer axialen Stirnseite des Hakenendes abgewandten Endabschnitt eine Querschnittserweiterung, die insbesondere eine Entlastungskerbe ist, quer zu einer Längserstreckung der Aussparung aufweisen. Auf die Querschnittserweiterung kann in der Längserstreckung eine Querschnittverjüngung folgen. Durch eine Querschnittserweiterung wird die Kerbwirkung und damit die Kerbwirkung im Bereich der Stirnseite des Hakenendes vorteilhaft reduziert werden.
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Die Aussparung kann bevorzugt als ein schmaler Schlitz ausgebildet sein, wobei sich ein erstes Ende des Schlitzes an einer axialen Stirnseite des Hakenendes befindet. Der Endabschnitt liegt dem ersten Ende der Aussparung, insbesondere in Axialrichtung, in einem Innenbereich des Hakens gegenüber, wobei bevorzugt ein Ende der Aussparung in einem Übergangsbereich angeordnet sein kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Aussparung mit einem Material gefüllt werden, das weicher ist als das Material des Hakens, insbesondere mit einem Lot oder einem Kunststoff.
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Besonders bevorzugt kann die Querschnittserweiterung ein sich in Radialrichtung erstreckendes Rundloch, ein quadratisches Loch mit abgerundeten Ecken, und/oder ein rechteckiges Loch mit abgerundeten Ecken sein. Die Querschnittserweiterung kann sich dabei in Radialrichtung vollständig durch das Hakenende bzw. den Übergangsbereich erstrecken. Dabei kann sich ein Querschnitt der Aussparung in der Querschnittserweiterung an einer Oberfläche des Hakens vollständig in Radialrichtung durch den Haken erstrecken. Ein Rundloch, insbesondere ein kreisrundes oder elliptisches Rundloch, ein quadratisches Loch mit abgerundeten Ecken, und ein rechteckiges Loch mit abgerundeten Ecken eignen sich vorteilhaft besonders gut als Entlastungskerbe.
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Darüber hinaus kann die Querschnittserweiterung in oder an einem Knick und/oder einer Krümmung zwischen dem Hakenende und einem Übergangsbereich des Hakens angeordnet sein. Dadurch kann die Kerbwirkung der Aussparung vorteilhaft gezielt in den Übergangsbereich eingebracht werden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Querschnittserweiterung zum einen in Längserstreckung der Aussparung und in einer in Radialrichtung projizierten Fläche oder zum anderen auf ein entferntes Volumen bezogen beidseitig zu dem Knick bzw. der Krümmung zu gleichen Teilen angeordnet ist. Dadurch wird die Kerbwirkung besonders günstig verteilt.
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Alternativ kann die Querschnittserweiterung an einen Knick und/oder an eine Krümmung zwischen dem Hakenende und einem Übergangsbereich des Hakens angrenzen oder einen geringen Abstand zu einem Knick und/oder einer Krümmung zwischen dem Hakenende und einem Übergangsbereich des Hakens von weniger als 5%, insbesondere 4%, bevorzugt weniger als 3% der Längserstreckung der Aussparung aufweisen.
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In einer besonderen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Aussparung schlitzförmig ausgebildet ist. Durch die schlitzförmige Ausbildung der Aussparung wird vorteilhaft nur ein kleiner Teil des Hakens entnommen, so dass die Tragfähigkeit der Hakenanordnung vorteilhaft kaum beeinträchtigt wird, wobei gleichzeitig der Entwölbungseffekt verringert wird. Ein erstes Ende des Schlitzes kann sich an einer Stirnseite des Hakenendes befinden. Der Endabschnitt liegt dem ersten Ende der Aussparung gegenüber, insbesondere in Axialrichtung, bevorzugt in Längsrichtung der Aussparung.
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Alternativ oder ergänzend kann die zumindest eine Aussparung den Haken in Umfangsrichtung in zumindest zwei Hakenabschnitte teilen, wobei eine Quererstreckung quer zu einer Längserstreckung der Aussparung bis zu einer Querschnittserweiterung zwischen 2,5% und 7,5% einer Umfangserstreckung eines an die Aussparung angrenzenden umfangsendseitigen Hakenabschnitts ausmachen kann. Weiter alternativ oder ergänzend kann eine Anzahl an in Umfangsrichtung verteilt angeordneter Aussparungen den Haken in eine um eins erhöhte Anzahl Hakenabschnitte teilen, wobei eine Quererstreckung der verteilt angeordneten Aussparungen quer zu einer Längserstreckung der jeweiligen Aussparungen bis zu einer Querschnittserweiterung zwischen 5% und 15% einer Umfangserstreckung eines Hakenabschnitts ausmachen kann, der von zwei benachbarten der verteilt angeordneten Aussparungen begrenzt ist. Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass nur ein kleiner Teil des tragenden Hakens entnommen wird, so dass die Tragfähigkeit der Hakenanordnung vorteilhaft kaum beeinträchtigt wird, wobei gleichzeitig der Entwölbungseffekt verringert wird.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des Leitschaufelsegments kann das Hakenende, insbesondere auch ein an das Hakenende angrenzender Übergangsbereich des zumindest einen Hakens, von einem Reibblech umgeben sein, wobei sich das Reibblech in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise über die zumindest eine Aussparung erstreckt. Dadurch wird vorteilhaft zum einen eine direkte Reibung zwischen dem Haken vermieden und eine Leckageströmung durch die Aussparung zumindest reduziert. Das Reibblech kann als Teil der Hakenanordnung ausgebildet sein und vor einem Einschub in die Gehäusenut an dem Haken befestigt werden. Das Reibblech kann in einem Meridianschnitt formschlüssig mit dem Haken verbunden sein. Insbesondere kann das Reibblech einen Querschnitt in einem Meridianschnitt aufweisen, der an eine Oberfläche des Hakenendes und/oder des Übergangsbereichs zur kraftschlüssigen Anlage zwischen dem Haken und der Gehäusenut angepasst ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Reibblech auch segmentübergreifend angebracht werden, d.h. in einer Leitschaufelanordnung mit mehreren benachbart angeordneten Leitschaufleclustern kann das Reibblech zumindest zwei Leitschaufelcluster überdecken und den Spalt am Stoß zwischen den beiden Clustern überdecken.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Haken ein erster Haken und das Hakenende ein erstes Hakenende sein, und die Hakenanordnung kann einen zweiten Haken aufweisen. Dabei kann der zweite Haken ein zweites Hakenende aufweisen, und der zweite Haken kann an dem zweiten Hakenende zumindest eine Aussparung aufweisen. Ferner kann das Hakenende des ersten Hakens von einem ersten Reibblech umgeben sein, und das Hakenende des zweiten Hakens kann von einem zweiten Reibblech umgeben sein. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das erste Reibblech und das zweite Reibblech in Axialrichtung voneinander beabstandet sind. Ergänzend können das erste Reibblech und das zweite Reibblech die jeweils überdeckten Aussparungen in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung vollständig überdecken. Dadurch wird eine Leckageströmung vorteilhaft auf ein Minimum reduziert.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist das Reibblech, im Falle von zwei vorgesehenen Reibblechen beide oder zumindest eines der Reibbleche, eine Dicke zwischen 0,1 mm und 0,5 mm aufweist, insbesondere zwischen 0,2 mm und 0,4 mm, bevorzugt zwischen 0,25 mm und 0,35 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm. Durch eine solche Dicke ist ein besonders günstiger Kompromiss zwischen ausreichender Festigkeit und einem geringen Gewicht erzielt. Zudem lässt sich das Reibblech leicht an die Form des Hakens anpassen, so dass eine besonders gute Dichtwirkung gegen eine Leckageströmung erzielt wird. Sind zwei Reibbleche vorgesehen, so können diese dieselbe Dicke aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eines der beiden Reibbleche dicker ist als das andere der beiden Reibbleche. Die Dicke der Reibbleche kann innerhalb der angegebenen Bereiche entlang einer flächigen Erstreckung der Reibbleche variieren. Es kann vorgesehen sein, dass das erste Reibblech die jeweiligen von dem ersten Reibblech überdeckten Aussparungen vollständig und/oder beidseitig überdeckt. Es kann vorgesehen sein, dass zweite Reibblech die jeweiligen von dem ersten Reibblech überdeckten Aussparungen vollständig und/oder beidseitig überdeckt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Flugtriebwerk mit einem Verdichter eines Strömungskanal, wobei der Verdichter ein Leitschaufelsegment, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweist. Dabei weist das Leitschaufelsegment eine Reihe von in Umfangsrichtung angeordneter Leitschaufeln, und ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes Deckband auf. Ferner verbindet das Deckband die Leitschaufeln in einem Schaufelfußbereich in Umfangsrichtung, wobei das Deckband in dem Außengehäuse des Strömungskanals befestigt ist. Dabei weist das Deckband eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Hakenanordnung mit zumindest einem Haken an einer Außenseite des Deckbandes auf, wobei der zumindest eine Haken in einer dafür vorgesehenen Gehäusenut in dem Außengehäuse eingesetzt ist, und mit der Gehäusenut einen Formschluss gegen eine Bewegung in Radialrichtung bildet. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der zumindest eine Haken an einem Hakenende zumindest eine Aussparung aufweist, wobei die zumindest eine Aussparung das Hakenende entlang ihrer Längserstreckung in Umfangsrichtung teilt. Dadurch wird ein Entwölbungseffekt des Deckbandes vorteilhaft verringert.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Aussparung in Umfangsrichtung in einer Schnittebene, insbesondere in einem Meridianschnitt, angeordnet ist und zu den der Schnittebene nächstgelegen angeordneten Schaufelvorderkanten der Leitschaufeln in Umfangsrichtung versetzt ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Aussparung in Umfangsrichtung in einer Schnittebene, insbesondere einem Meridianschnitt, zwischen zwei Schaufelvorderkanten von zwei benachbarten Leitschaufeln der Leitschaufeln angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann die Aussparung in Umfangsrichtung in einer Schnittebene, insbesondere einem Meridianschnitt, zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante einer Leitschaufel der Leitschaufeln angeordnet sein.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Deckband eine axiale Erstreckung an einem Kanalwandabschnitt aufweist, die nach vorne und/oder nach hinten größer, insbesondere mindestens um 10% größer, bevorzugt mindestens um 12% größer, besonders bevorzugt mindestens um 14% größer, insbesondere mindestens um 16% größer, als ein axialer Abstand zwischen eine Vorderkante und einer Hinterkante von einer der Leitschaufeln ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft eine Oberflächenkonturierung auf der Oberfläche des Kanalwandabschnitts vor und/oder hinter den Leitschaufeln angeordnet werden.
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Die Erfindung wird bezüglich der nachfolgenden Zeichnungen anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
- Fig. 1
- zeigt in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Flugtriebwerk mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitschaufelsegments eines Verdichters
- Fig. 2
- zeigt das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leitschaufelsegments mit einem Reibblech in einer perspektivischen Darstellung
- Fig. 3
- zeigt das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leitschaufelsegments ohne das Reibblech in einer perspektivischen Darstellung
- Fig. 4
- zeigt einen Ausschnitt eines Hakenendes des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leitschaufelsegments in einer radialen Draufsicht
- Fig. 5
- zeigt das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leitschaufelsegments in einer Gehäusenut eines Strömungskanals des erfindungsgemäßen Flugtriebwerks in einem Meridianschnitt
- Fig. 6
- zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit nur einem Haken mit angewinkeltem Übergangsbereich.
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In Fig. 1 ist ein Flugtriebwerk 1 in einem Meridianschnitt schematisch dargestellt. Das Flugtriebwerk 1 weist einen Triebwerkseinlauf 1a auf, aus dem heraus stromabwärts ein Nebenstromkanal 1b und einen als Kernstromkanal 1c dienenden Strömungskanal 1c angeströmt werden. Nebenstromkanal 1b dient der Schuberzeugung, der Strömungskanal 1c dient vorwiegende der Energieerzeugung für die Komponenten des Flugtriebwerks 1 und von Kabinensystemen eines Flugzeugs. In dem Strömungskanal 1c sind der Reihe nach in Strömungsrichtung die Hauptkomponenten des Flugtriebwerks 1 angeordnet, nämlich ein Verdichter 2, eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4. Das Flugtriebwerk 1 weist ein den Triebwerkseinlauf 1a sowie den Gesamtnebenstromkanal 1b umgebendes Triebwerksaußengehäuse 6 und ein den Gesamtnebenstromkanal 1b und den Strömungskanal 1c separierendes Zwischengehäuse 7 auf, wobei das Zwischengehäuse 7 als Außengehäuse 7 des Strömungskanals 1c dient. In dem Triebwerkseinlass 1a kann ein Fan 5 mit einer oder mehrere Fanstufen zum Ansaugen und ersten Verdichten von Luft vorgesehen angeordnet sein. Der Fan 5, der Verdichter 2 sowie die Turbine 4 sind mittels zumindest einer um eine Triebwerksdrehachse 8a drehenden Welle 8 mechanisch gekoppelt, wobei der Fan 5 und gegebenenfalls auch (nicht dargestellte) vordere Niederdruckverdichterstufen von der schneller laufenden Turbine 4, insbesondere von einer Niederdruckturbine, durch ein Getriebe 9 entkoppelt sein können. Ein Teil der von dem Fan angesaugten und verdichteten Luft strömt in den Strömungskanal 1c, wo sie von dem Verdichter 2 stark komprimiert wird, um in der Brennkammer 3 mit Brennstoff vermischt und gezündet zu werden und schließlich in der Turbine 4 zum Antrieb der zumindest einen Welle 8 zu expandieren. Der Verdichter 2 stellt an Zapfluftstellen verdichtete Zapfluft für ein Zapfluftsystem bereit.
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Die Triebwerksdrehachse 8a dient als Bezugsachse für die Definition einer parallel zu der Triebwerksdrehachse 8a verlaufenden Axialrichtung Ax, einer dazu senkrecht stehender Radialrichtung R und einer um die Triebwerksdrehachse 8a verlaufenden Umfangsrichtung U.
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Durch die hohe Kompression in dem Verdichter 2 erhöht sich die Temperatur innerhalb des Strömungskanals 1c, wodurch hohe Temperaturgradienten in den angrenzenden Kanalwänden entstehen. Erfindungsgemäß ist in dem Verdichter 2 des Flugtriebwerks 1 ein erfindungsgemäßes Leitschaufelsegment 10 angeordnet, das anhand eines in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben wird und den Temperaturgradienten besser widerstehen kann, so dass ein üblicherweise bei einem solchen Deckband auftretender Entwölbungseffekt zumindest verringert ist.
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In Fig. 2 ist das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leitschaufelsegments 10 mit einem Reibblech 80 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Das Leitschaufelsegment 10 kann wie dargestellt vier Leitschaufeln 20 aufweisen, die in einem Schaufelfußbereich 21 durch ein sich in Umfangsrichtung U erstreckendes Deckband 30 verbunden sind. Das Deckband 30 kann aber auch mehr oder weniger als vier Schaufeln, insbesondere fünf, bevorzugt sechs, besonders bevorzugt sieben, noch weiter bevorzugt acht, noch weiter bevorzugt neun, noch weiter bevorzugt zehn Schaufeln 20 in Umfangsrichtung verbinden. Das Deckband 30 bildet dabei mit seiner radial innenliegenden Innenseite 31 einen Kanalwandabschnitt 31 des Strömungskanals 1c und weist an seiner radial außenliegenden Außenseite 32 eine Hakenanordnung 40 zur Befestigung in einer in Fig. 4 noch näher beschriebenen Gehäusenut 71 des Außengehäuses 7 auf.
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Die Hakenanordnung 40 kann zwei Haken 41, 42, einen ersten Haken 41 mit einem ersten Hakenende 43 und einen zweiten Haken 42 mit einem zweiten Hakenende 44, aufweisen, wobei die Hakenenden 43, 44 in Axialrichtung Ax in entgegengesetzte Richtungen weisen. Insbesondere können sich eine Innenfläche und/oder eine Außenfläche des ersten Hakenendes und/oder des zweiten Hakenendes parallel zu einer von der Axialrichtung Ax und der Umfangsrichtung U aufgespannten in Umfangsrichtung U gekrümmten Ebene erstrecken. Ein durch die Haken 41, 42 gebildeter Querschnitt erstreckt sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung U.
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Die Haken 41, 42 weisen an den Hakenenden 43, 44 angrenzend einen Übergangsbereich 47, 48 auf, der sich von dem jeweiligen Hakenende 43, 44 bis zu einem ersten Hakenfuß 49 bzw. einem zweiten Hakenfuß 50 des jeweiligen Hakens 41, 42 erstreckt, wobei die Hakenanordnung 40 mittels der Hakenfüße 49, 50 mit dem übrigen Deckband 30 integral verbunden ist. Der Übergangsbereich 47, 48 verläuft dabei zu der Axialrichtung Ax angewinkelt. Der erste Übergangsbereich 47 schließt mit der Axialrichtung Ax einen Winkel α1 ein. Der zweite Übergangsbereich 48 schließt mit der Axialrichtung Ax einen Winkel α2 ein. Der Winkel α1 beträgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 30°, kann aber auch in einem Bereich zwischen 20° bis 40°, bevorzugt in einem Bereich zwischen 25° und 35° liegen. Der Winkel α2 beträgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 28°, kann aber auch in einem Bereich zwischen 20° bis 40°, bevorzugt in einem Bereich zwischen 25° und 35° liegen. Die Winkel α1 und α2 sind der besseren Übersicht halber in der Seitenansicht in Fig. 5 dargestellt.
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Die Übergangsbereiche 47, 48 reichen bis zu einem jeweiligen Hakenfuß 49, 50 des entsprechenden Hakens 41, 42, wobei die Hakenfüße 49, 50 eine gemeinsame Plattform 61 bilden können, die gegenüber der übrigen Deckbandaußenseite 32 erhaben ist und so einen Bereich höherer Dicke des Deckbandes 30 bilden kann.
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Dadurch kann das Gewicht der Schaufeln 20 und des Deckbandes 30 vorteilhaft sehr gut an die Haken 41, 42 und damit in das Außengehäuse 7 übertragen werden.
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Im Betrieb treten in dem Strömungskanal 1c im Vergleich zu einer Umgebung hohe Temperaturen auf, so dass sich das Deckband 30 aufgrund des in ihm auftretenden Temperaturgradienten, der eine Verbiegung nach außen bewirkt, entwölbt.
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Um dem entgegenzuwirken sind die anhand der Fig. 3 bis 5 näher beschriebenen Aussparungen 45, 46 in den Hakenenden 43, 44 und einem kurzen Abschnitt in den Übergangsbereichen 49, 50 angeordnet. Über den Aussparungen und den Haken erstrecken sich Reibbleche 80, 81, die anhand eines in Fig. 5 dargestellten Meridianschnitts durch das Leitschaufelsegment 10 in dem Strömungskanal 7 noch näher erläutert wird.
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Die Aussparungen 45, 46 unterteilen die Hakenenden 45, 46 und die Übergangsbereiche 49, 50 in mehrere getrennte sich in Umfangsrichtung U erstreckende Hakenabschnitte 57, 58. Zum einen werden die Spannungen in den Hakenabschnitten 57, 58 unterbrochen. Zum anderen werden die in Umfangsrichtung verlaufenden Bauteilspannungen dadurch in den insbesondere verstärkten und steifen Hakenfußbereich geleitet, so dass die Entwölbung vorteilhaft reduziert ist.
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In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in Umfangsrichtung U verteilt jeweils fünf Aussparungen 45 ,46 angeordnet, wobei jeweils die zwischen zwei benachbarten Aussparungen gebildeten Hakenabschnitte 57, 58 gleich lang ausgebildet sind. Jeweils eine der ersten Aussparungen 45 des ersten Hakens 41 ist dabei ferner in Axialrichtung Ax gegenüber einer der zweiten Aussparungen 46 des zweiten Hakens 42 angeordnet.
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Um eine Kerbwirkung der Aussparungen 45, 46 zu reduzieren, können die Aussparungen 45, 46 in einem einer Stirnseite 51, 52 des jeweiligen Hakenendes 43, 44 abgewandten Endabschnitt 53, 54 eine Querschnittserweiterung 55, 56 aufweisen, deren Quererstreckung Q quer zu einer Längserstreckung L der Aussparung 45, 46 zunächst zunimmt. Die Quererstreckung kann entlang der Längserstreckung L in dem Endabschnitt 53, 54 insbesondere zunächst zunehmen und dann abnehmen, und bevorzugt an einem Ende der Längserstreckung L auf null reduziert sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Querschnittserweiterung einen in radialer Richtung R betrachtet kreisförmigen Querschnitt auf. Sie kann aber auch mit abgerundeten Ecken ausgebildet sein, etwa quadratisch oder rechteckig.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Aussparung 45, 46 in einer Draufsicht. Die Aussparung 45, 46 kann eine der ersten Aussparungen 45 oder eine der zweiten Aussparungen 46, die in den Haken 41, 42 in Fig. 3 gezeigt sind, sein. Im Falle einer zweiten Aussparung 46 wäre die dargestellte Aussparung gespiegelt anzunehmen.
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Die Längserstreckung L der Aussparung 45, 46 erstreckt sich von einer Stirnseite 51, 52 des Hakenendes 43, 44 bis an ein der Stirnseite 51, 52 gegenüberliegenden Ende eines Endabschnitts 53, 54 der Aussparung 45, 46. Die Aussparung 45, 46 verläuft in dem Hakenende 43, 44 schlitzförmig, das heißt mit einer größeren Längserstreckung L als Quererstreckung Q, bis kurz vor einer zwischen dem entsprechenden Hakenende 43, 44 und dem Übergangsbereich 47, 48 angeordneten Krümmung 59, 60 in der Oberfläche des Hakens 41, 42. Anstelle einer Krümmung 59, 60 kann auch ein Knick zwischen dem Hakenende 43, 44 und dem Übergangsbereich 47, 48 ausgebildet sein. Auf den schlitzförmigen Abschnitt der Aussparung 45, 46 folgt in Längsrichtung L eine als Entlastungskerbe ausgebildete Querschnittserweiterung 55, 56. Durch die Querschnittserweiterung 55, 56 wird die aufgrund der Kerbwirkung der Aussparung 45, 46 erhöhte Spannung innerhalb des Hakens 41, 42 zumindest teilweise vorteilhaft reduziert. Die Querschnittserweiterung hat wie in Fig. 3 gezeigt einen kreisrunden Querschnitt. Sie kann aber auch einen quadratischen oder rechtwinkligen Querschnitt mit abgerundeten Ecken oder eine elliptische Form oder eine Freiform aufweisen.
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Die Längserstreckung L verläuft in dem gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zu der Triebwerksachse 8a und damit zu der Axialrichtung Ax. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die Längsrichtung L' der Aussparung 45, 46 - wie in dem Koordinatensystem rechts in Fig. 4 gezeigt - schräg zu der Axialrichtung Ax verläuft.
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In Fig. 5 ist die in Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leitschaufelsegments 10 mit der Hakenanordnung 40 in einer Gehäusenut 72 einer Innenwand 71 des Zwischengehäuses 7 dargestellt. Die Innenwand 71 des Zwischengehäuses 7 und die als Kanalwandabschnitt 31 ausgebildete Innenseite 31 das Deckbands 30 bilden gemeinsam einen Außenabschnitt des Strömungskanal 1c.
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In dem Spalt zwischen der Hakenanordnung 40 und der Gehäusenut 72 sind um den ersten Haken 41 ein erstes Reibblech 80 und um den zweiten Haken 42 ein zweites Reibblech 81 angeordnet. Die Reibbleche 80, 81 umgeben dabei jeweils vollständig das entsprechende Hakenende 43, 44 und erstrecken sich bis über den Übergangsbereich verdecken die jeweilige Übergangsbereich 47, 48. Dabei liegt ein jeweiliger mittiger Blechabschnitt 82, 83 des entsprechenden Reibblechs 80, 81 an der jeweiligen Stirnseite des jeweiligen Hakenendes 43, 44 an und verschließt den Spalt zwischen dem entsprechenden Haken 41, 42 und der Gehäusenut 72. Ein jeweiliger Außenblechabschnitt 84, 85 erstreckt sich von dem Hakenende 43, 44 bis über den Übergangsbereich 47, 48, folgt dabei der Kontur des Hakenendes 43, 44 und des Übergangsbereichs 47, 48 und überdeckt die Aussparung 45, 46 an ihrer radialen Oberseite vollständig. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Außenblechabschnitt 84, 84 an der Oberseite des Hakens 45, 46 vollständig entlang seiner Erstreckung in einer Meridianebene anliegt.
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Ein jeweiliger Innenblechabschnitt 86, 87 erstreckt sich von dem Hakenende 43, 44 bis unter den Übergangsbereich 47, 48, folgt dabei der Kontur des Hakenendes 43, 44 und des Übergangsbereichs 47, 48 und überdeckt die Aussparung 45, 46 und insbesondere in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch die Querschnittserweiterung 55, 56 an ihrer radialen Unterseite vollständig und liegt dabei an der Unterseite des Hakens 41, 42 auch vollständig an. Dies hat den Vorteil, dass die Aussparung vollständig verschlossen ist, so dass ein Leckagestrom vermieden ist, und dennoch ein Entwölbungseffekt durch die Aussparungen 41, 42 reduziert wird.
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In Fig. 5 ist ferner zu erkennen, dass der Kanalwandabschnitt 31 einen vorderen axialen Vorsprung 33 und einen hinteren axialen Vorsprung 34 gegenüber den Leitschaufeln 20 aufweist. Der Kanalwandabschnitte 31 mit zumindest einem axialen Vorsprung 33, 34 weist eine deutlich größere Axialerstreckung zwischen einer vorderen Stirnseite 35 und einer hinteren Stirnseite 36 des Kanalwandabschnitts 31 auf als die Leitschaufeln 20, die sich von dem Kanalwandabschnitt 31 in Radialrichtung R erstrecken, zwischen ihrer Vorderkante 22 und ihrer Hinterkante 23 in dem Schaufelfußbereich 21. Dabei wird ein eventuell hergestelltes Fillet mitberücksichtigt. An dem entsprechenden zumindest einen axialen Vorsprung 33, 34 kann daher vorteilhaft eine gestrichelt dargestellte Oberflächenkonturierung 37 zur Verbesserung der Strömungsführung ausgebildet sein.
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Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit nur einem Haken mit angewinkeltem Übergangsbereich. Der Übergangsbereich 48 schließt hier auf seiner von der Plattformmitte abgewandten Seite einen Winkel α von 45° mit der Plattform ein. Der Hakenfuß ist in diesem Beispiel um eine Einrückung 38 von ca. 28% bis 35% der axialen Erstreckung der Plattform 61 gegenüber dem axialen Ende der Plattform zur Plattformmitte hin eingerückt bzw. versetzt. Dies bewirkt eine Krafteinleitung hinter dem Fillet, also dem Übergang zwischen Schaufel und Plattform, was Spannungsspitzen im Betrieb vermeidet. In anderen Worten befindet sich der Hakenfuß hinter einem Schnittpunkt 88 zwischen Plattform und Verlängerung der Schaufelkante. Die Einrückung 38 bemisst sich dabei als Abstand zwischen einem axialen Ende der Plattform und einem Schnittpunkt, wobei der Schnittpunkt in einem Meridionalschnitt gesehen ein Schnittpunkt einer Achse durch die Mitte der Längserstreckung des Übergangsbereichs 48 des Hakens und der Radialen Plattformaußenseite ist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht ferner ein Radialer Versatz R1 zwischen den beiden Hakenenden 43, 44, der größer als die radiale Dicke des Hakenendes 44 ist.
Bezugszeichenliste
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- 1
- Flugtriebwerk
- 1a
- Einlauf
- 1b
- Nebenstromkanal
- 1c
- Strömungskanal / Kernstromkanal
- 2
- Verdichter
- 3
- Brennkammer
- 4
- Turbine
- 5
- Fan
- 6
- Triebwerksaußengehäuse
- 7
- Außengehäuse des Strömungskanals / Zwischengehäuse
- 8
- Welle
- 8a
- Triebwerksachse
- 9
- Getriebe
- 10
- Leitschaufelsegment
- 20
- Leitschaufel
- 21
- Schaufelfußbereich
- 22
- Vorderkante
- 23
- Hinterkante
- 30
- Deckband
- 31
- Kanalwandabschnitt, Innenseite des Deckbands
- 32
- Außenseite des Deckbands
- 33
- vorderer axialer Vorsprung
- 34
- hinterer axialer Vorsprung
- 35
- vordere Stirnseite
- 36
- hintere Stirnseite
- 37
- Oberflächenkonturierung
- 38
- Einrückung
- 40
- Hakenanordnung
- 41
- erster Haken
- 42
- zweiter Haken
- 43
- erstes Hakenende
- 44
- zweites Hakenende
- 45
- erste Aussparung
- 46
- zweite Aussparung
- 47
- erster Übergangsbereich
- 48
- zweiter Übergangsbereich
- 49
- erster Hakenfuß
- 50
- zweiter Hakenfuß
- 51
- erste Stirnseite (des ersten Hakens)
- 52
- zweite Stirnseite (des zweiten Hakens)
- 53
- erster Endabschnitt
- 54
- zweiter Endabschnitt
- 55
- erste Querschnittserweiterung
- 56
- zweite Querschnittserweiterung
- 57
- erster Hakenabschnitt (in Umfangsrichtung)
- 58
- zweiter Hakenabschnitt (in Umfangsrichtung)
- 59
- erster Knick bzw. Krümmung
- 60
- zweiter Knick bzw. Krümmung
- 61
- Plattform
- 71
- Innenwand des Zwischengehäuses
- 72
- Gehäusenut
- 80
- erstes Reibblech
- 81
- zweites Reibblech
- 82
- erster Mittenabschnitt
- 83
- zweiter Mittenabschnitt
- 84
- erste Blechoberseite
- 85
- zweite Blechoberseite
- 86
- erste Blechunterseite
- 87
- zweite Blechunterseite
- 88
- Schnittpunkt der Schaufelkantenverlängerung und d. Plattform
- Ax
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
- U
- Umfangsrichtung
- R1
- Radialversatz
- L
- Längserstreckung einer Aussparung
- Q
- Quererstreckung einer Aussparung
- UE
- Umfangserstreckung eines Hakenabschnitts