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Die Erfindung betrifft einen Blütenmischer für eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Turbofantriebwerk, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der
US 4 066 214 A bekannt ist, und eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Blütenmischer.
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Bei Turbofantriebwerken kann durch eine Vermischung von Primär- und Sekundärstrom eine Lärmminderung und eine Reduzierung des spezifischen Brennstoffverbrauchs erreicht werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass grundsätzlich ein Einsparpotential von 3 bis 5% möglich ist. Die Vermischung erfolgt herkömmlicherweise über einen stromabwärts hinter einer Niederdruckturbine positionierten statorfesten Mischer bzw. Zwangmischer mit einer mäanderförmigen Kontur, mittels der abwechselnd zumindest ein Teilstrom des Primärstroms radial nach außen und zumindest ein Teilstrom des Sekundärstroms radial nach innen gelenkt werden. Derartige, aufgrund ihrer mäaderartigen Kontur als Blütenmischer bezeichnete Mischer sind beispielsweise in der
DE 199 52 797 A1 ,
US 4,548,034 A ,
US 4,401,269 A ,
US 4,576,002 A ,
US 5,884,472 A und der
US 2006/0010852 A1 gezeigt. Ergänzend wird zudem auch noch auf die
DE 698 19 441 T2 ,
US 6 935 098 B2 ,
US 7 506 501 B2 ,
DE 11 2007 000 187 T5 ,
US 6 412 283 B1 ,
DE 32 39 197 A1 und die
US 2008/0 105 487 A1 hingewiesen. Nachteilig an diesen bekannten Mischern ist jedoch, dass durch den Mischer keine Drallbefreiung und Axialausrichtung des Primärstroms erfolgt, so dass stets ein statorfester Nachleitkranz zur Umlenkung des Primärstroms in Axialrichtung vorgesehen ist. Der Nachleitkranz führt jedoch zu einer Vergrößerung und zu einer Gewichtssteigerung des Turbofantriebwerks, was sich unter anderem nachteilig auf den Treibstoffverbrauch auswirkt. Zudem tritt bei bekannten Nachleitkränzen ein Druckverlust auf, was den Treibstoffverbrauch zusätzlich negativ beeinflusst.
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In der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 004 741 A1 der Anmelderin wird hingegen ein Blütenmischer mit einem integrierten Nachleitkranz vorgeschlagen. Dieser ist in Form von schaufelblattartigen Radialstegen an einem stromaufwärtigen Abschnitt des Blütenmischers positioniert. Die integrale Bauweise führt zwar zu einer Reduzierung der axialen Baulänge und zu einer Gewichtsreduzierung des Turbofantriebwerks, jedoch ist ein Nachleitkranz – wenn auch integriert – weiterhin notwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Blütenmischer für eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Turbofantriebwerk, der die vorgenannten Nachteile beseitigt und eine Effizienzsteigerung ermöglicht, sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Blütenmischer zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Blütenmischer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Ein erfindungsgemäßer Blütenmischer, insbesondere für ein Turbofantriebwerk, zur Vermischung von Primärstrom und Sekundärstrom hat gleichmäßig über seinen Umfang verteilte Erhebungen zum Führen zumindest eines Teilstroms des Primärstroms und Vertiefungen zur Führung zumindest eines Teilstroms des Sekundärstroms. Die Erhebungen und Vertiefungen, die in Umfangsrichtung abwechselnd nebeneinander angeordnet und zur Axialrichtung angestellt sind, sind von gegenüberliegenden Seitenwandungen gebildet. Erfindungsgemäß sind zumindest einige der gegenüberliegenden Seitenwandungen asymmetrisch ausgebildet. Durch die unsymmetrische Profilierung können die Seitenwandungen derart ausgebildet werden, dass der Primärstrom zumindest teilweise drallbefreit und in Axialrichtung umgelenkt wird, so dass ein Nachleitkranz entfallen bzw. zumindest radial verkürzt ausgebildet werden kann, wodurch ein mit einem derartigen Blütenmischer versehenes Turbofantriebwerk kürzer und leichter als herkömmliche Turbofantriebwerke ist. Durch die multifunktionale Ausbildung des Blütenmischers – Vermischung und somit Lärmminderung des Triebwerks und Axialausrichtung – entfällt ein nachleitkranzseitiger Druckverlust bzw. wird stark verringert, was zu einer Treibstoffeinsparung und somit zu einer Effizienzsteigerung führt.
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Erfindungsgemäß sind die asymmetrischen Seitenwandungen dabei zumindest von einem konkaven Seitenwandungsabschnitt und einem gegenüberliegenden konvexen Seitenwandungsabschnitt gebildet. Hierdurch wird eine Saug- und eine Druckseite geschaffen, wodurch eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen die asymmetrischen Seitenwandungen umströmenden Teilströmungen entsteht, die eine zusätzliche Turbulenz im Bereich der Abströmkante des Blütenmischers hervorruft, was zu einer Verbesserung der Vermischung führt.
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Bevorzugterweise ist in Rotationsrichtung eines Stators betrachtet der jeweilige konkave Seitenwandungsabschnitt vor dem jeweiligen konvexen Seitenwandungsabschnitt angeordnet.
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Hierdurch wird berücksichtigt, dass die Teilströme nicht axial auf die Seitenwandungen auftreffen, sondern nasenseitig in Richtung der Druckseite versetzt.
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Da insbesondere der Primärstrom drallbehaftet ist, sind die asymmetrischen Seitenwandungen Vertiefungsflanken.
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Die Seitenwandungen zur Ausbildung der Erhebungen sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet, da die Zuströmung des Sekundärstroms in der Regel drallfrei erfolgt.
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Da der Teilstrom des Primärstroms an jeder Stelle in einem unterschiedlichen Winkel entlang der Seitenwandungen strömt, ist bei einem Ausführungsbeispiel die Kontur der Seitenwandungen punktuell an lokale Strömungsverhältnisse angepasst, so dass die Seitenwandungen eine variierende Kontur aufweisen. Mit anderen Worten, die Scallopierungen auf die Strömung sind der jeweiligen Seitenwandung angepasst.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind die asymmetrischen Seitenwandungen der Vertiefungen bis zum Rotor bzw. bis zu einem auf dem Rotor platzierten Konus geführt und somit im Vergleich zu den Erhebungen in axialer Richtung verlängert. Die Verlängerung der Vertiefungen bewirkt, dass auch ein rotornaher Teilstrom des Primärstroms durch den Blütenmischer in Axialrichtung umgelenkt wird und somit gänzlich auf einen Nachleitkranz verzichtet werden kann.
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Der Blütenmischer kann jedoch auch einen integrierten Nachleitkranz mit kompletten Leitschaufeln aufweisen, die sich von den Vertiefungen, insbesondere in einem stromabwärtigen Bereich des Blütenmischers, in Richtung des Rotors bzw. Konus erstrecken.
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Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, ist mit einem erfindungsgemäßen Blütenmischer zur Vermischung von Primärstrom und Sekundärstrom versehen. Eine derartige Strömungsmaschine zeichnet sich durch einen geringen spezifischen Brennstoffverbrauch und durch eine Schubsteigerung gegenüber herkömmlichen Lösungen aus.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist stromaufwärts des Blütenmischers ein Nachleitkranz zur Axialausrichtung eines von dem Blütenmischer strömungstechnisch nicht beeinflussten Teilstrom des Primärstroms angeordnet.
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Bei einer anderen Variante ist strömungstechnisch dem Blütenmischer ein Nachleitkranz zur zweistufigen Axialausrichtung zumindest eines Teilstroms des Primärstroms vorgeschaltet. Hierdurch kann der Primärstrom einen höheren Drallwinkel aufweisen und der Nachleitkranz sowie der Blütenmischer sind weniger belastet und damit widerstandsärmer.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein Turbofantriebwerks im Bereich eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Blütenmischers,
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2 eine symmetrische Abströmkante.
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3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 1,
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4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 1,
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5 einen Längsschnitt durch eine Kombination des Blütenmischers aus 1 mit einem vorgeschalteten Nachleitkranz,
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6 einen Längsschnitt durch den Blütenmischer aus 1 mit einem integrierten Nachleitkranz, und
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7 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Blütenmischers.
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Gemäß 1 hat eine erfindungsgemäße Gasturbine 2, insbesondere ein Turbofantriebwerk eines Flugzeugs, einen rotorseitigen Konus 4. Der Konus hängt an der Leitschaufel 54 oder an der Verlängerung 60. Zwischen dem Konus 4 und dem Stator 8 ist ein ringförmiger Heißgaskanal 10 gebildet, der von einem Primärstrom 12 gemäß der Darstellung von links nach rechts durchströmt wird. Der Primärstrom 12 teilt sich in einen radial außenliegenden äußeren Teilstrom 12a (Bereich a), einen mittleren Teilstrom 12b (Bereich b) und einen radial innenliegenden inneren Teilstrom 12c (Bereich c) auf.
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In dem Stator 8 ist in etwa parallel zum Heißgaskanal 10 ein Kaltgaskanal 14 ausgebildet, der den Heißgaskanal 10 ringartig umgreift und von einem Sekundärstrom 16 gemäß der Darstellung von links nach rechts durchströmt wird. Der Sekundär- bzw. Bypasstrom 16 teilt sich entsprechend dem Primärstrom 12 in eine Vielzahl von Teilströmen auf, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein heißgaskanalnaher Teilstrom 16a dargestellt ist.
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An einem stromabwärtigen Bereich der Gasturbine hinter einer nicht gezeigten Niederdruckturbine ist ein erfindungsgemäßer Blütenmischer 18 statorseitig befestigt. Der Blütenmischer 18 hat eine mäanderartige Kontur, die von einer Vielzahl von schräg in den Kaltgaskanal 14 gerichteten Erhebungen 20 zur Führung des äußeren Teilstroms 12a nach außen und eine Vielzahl von schräg in den Heißgaskanal 10 gerichteten Vertiefungen 22 zur Führung des heißgaskanalnahen Teilstroms 16a nach innen in Richtung der Rotorachse 6 sowie zur erfindungsgemäßen Umlenkung zumindest des mittleren Teilstroms 12b in Axialrichtung aufweist. Der speichenartige Verlauf der Erhebungen 20 und der Vertiefungen 22 bewirkt eine Vermischung des Primärstroms 12 und des Sekundärstroms 16 im Bereich einer Abströmkante 24 des Blütenmischers 18 und somit zumindest eine Lärmminderung des Turbofantriebwerks.
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2 zeit eine symmetrische Abströmkante. Je nach Profilierung kann diese symmetrisch oder unsymmetrisch sein. Unter Beachtung der Scallopierungen, wenn diese unsymmetrisch sind, wäre die Ansicht auch unsymmetrisch. Gemäß der stark vereinfachten rückwärtigen Ansicht des Blütenmischers 18 in 2 erstrecken sich die Erhebungen 20 von einer gedachten Kreisbahn 26 radial nach außen. Die Vertiefungen 22 erstrecken sich von der Kreisbahn 26 radial nach innen. Sie sind in Umfangsrichtung jeweils abwechselnd nebeneinander positioniert, so dass jede Erhebung 20 bzw. jede Vertiefung 22 zwischen zwei Vertiefungen 22 bzw. zwei Erhebungen 20 angeordnet ist. Die Erhebungen 20 und die Vertiefungen 22 sind jeweils von einem Seitenwandungspaar gebildet, das jeweils zwei gegenüberliegende Seitenwandungen 30, 32 bzw. 34, 36 aufweist, die in einem radial außenliegenden und einem radial innenliegenden abgerundeten Nasenbereich 37, 38 zusammengeführt sind, so dass die Erhebungen 20 und die Vertiefungen 22 jeweils einen rinnenartigen Querschnitt aufweisen. In Höhe der Kreisbahn 26 gehen die Seitenwandungen 30, 32 der Erhebungen 20 bzw. die Seitenwandungen 34, 36 der Vertiefungen 22 nahtlos in die jeweils angrenzende Seitenwandung 34, 36 der benachbarten Vertiefung 22 bzw. der angrenzenden Seitenwandung 30, 32 der benachbarten Erhebung 20 über, so dass der Blütenmischer 18 einen in Umfangsrichtung geschlossenen Mantel mit einer Vielzahl von Lobes (Wellungen) aufweist. Dabei sind die Seitenwandungen 30, 32, 34, 36, wie insbesondere in 1 gezeigt, zwischen den Nasenbereichen 37, 38 derart axial zurückgesetzt, dass die Abströmkante 24 zwischen den Nasenbereichen 37, 38 einen in etwa V-förmigen Verlauf zeigt.
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Gemäß der Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 3 können die Seitenwandungen 34, 36 der Vertiefungen 22 asymmetrisch zueinander ausgebildet sein. So können die Seitenwandungen 30, 32 der Erhebung 20 symmetrisch zu ihrer in 1 gezeigten Längsachse 53 ausgebildet sein. So hat die in Axialrichtung 6 betrachtete vordere Seitenwandung 36 in dem mittleren Bereich b einen gegenüber einer ursprünglichen Kontur 40 konkav ausgebildeten Seitenwandungsabschnitt 42. Die in Axialrichtung 6 betrachtete hintere Seitenwandung 34 ist gegenüber der ursprünglichen Kontur 40 mit einem konvexen Seitenwandungsabschnitt 44 versehen, der gegenüber des konkaven Seitenwandungsabschnitts 42 angeordnet ist. Somit weisen die Vertiefungen 22 aus Sicht des sie außenseitig umströmenden mittleren Teilstroms 12b ein tragflächenähnliches Profil mit einer Druckseite (konkave Seitenwandung) und einer Saugseite (konvexe Seitenwandung) auf. Die tragflächenähnliche Profilierung führt zu einer Drallbefreiung und Umlenkung des mittleren Teilstroms 12b bzw. der die Seitenwandungen 32, 34 umströmenden Teilströmungen 48, 50 des Teilstroms 12b in Axialrichtung 46 und somit in Richtung der Rotorachse 6. Zusätzlich entsteht durch die tragflächenähnliche Profilierung zwischen den Teilströmungen 48, 50 ein merklicher Geschwindigkeitsunterschied, da die Teilströmung 50 entlang der Saugseite eine höhere Geschwindigkeit als die Teilströmung 48 entlang der Druckseite aufweist. Durch den Geschwindigkeitsunterschied wird eine zusätzliche Turbulenz am vertiefungsseitigen Bereich der Abströmkante 24 gebildet und die Vermischung des Primärstroms 12 und des Sekundärstroms 16 wird verbessert. Die Vertiefungen 22 sind vornehmlich derart positioniert, dass der mittlere Teilstrom 12b schräg zur Rotorachse 6 auf den Nasenbereich 38 auftrifft.
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Da der mittlere Teilstrom 12b an jeder Stelle in einem unterschiedlichen Winkel entlang der jeweiligen Vertiefung 22 strömt, ist die asymmetrische Geometrie der Seitenwandungen 34, 36 an jeder Stelle an die örtlichen Strömungsverhältnisse angepasst.
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Innenseitig durch die Vertiefung 22 strömt, wie in 4 gezeigt, der nach innen geführte heißgaskanalnahe Teilstrom 16a des Sekundärstroms 16. Dieser ist in der Regel drallbefreit und strömt entlang einer senkrecht zur Zeichenebene angestellten Vertiefungslängsachse 52, die schräg in Richtung der Rotorachse 6 (s. 1) geführt ist. Da der Teilstrom 16a drallbefreit ist und entlang der Vertiefungslängsachse 52 strömt, wirkt sich die tragflächenähnliche Profilierung nicht negativ auf den Strömungsverlauf des Teilstroms 16a aus.
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Die Seitenwandungen 30, 32 der Erhebungen 20 können symmetrisch zu Ihrer Längsachse 53 (s. 1) ausgebildet sein, da wie bereits erwähnt der Sekundärstrom 16 in der Regel drallbefreit ist und den Kaltgaskanal 14 bereits in Axialrichtung durchströmt.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem in Strömungsrichtung vor dem Blütenmischer 18 ein statorfester Nachleitkranz bzw. Umlenkgitter mit einer Vielzahl von Leitschaufeln 54 angeordnet ist, die über Radialstege 56 an dem Stator 8 befestigt sind. Die Leitschaufeln 54 haben eine derartige heißgaskanalnahe Position und radiale Erstreckung, dass lediglich eine Drallbefreiung und axiale Ausrichtung des inneren Teilstroms 12c, nicht jedoch eine Beeinflussung des mittleren und des äußeren Teilstroms 12b, 12a erfolgt. Folglich sind die Leitschaufeln 54 als Stummelschaufeln ausgebildet, die sich lediglich über eine rotornahe Querschnittsfläche des Heißgaskanals 10 in radialer Richtung erstrecken und somit einen freien Durchgang 58 für den mittleren und den äußeren Teilstrom 12b, 12a in Richtung des Stators 8 begrenzen. Der Konus 4 kann am unteren Ende der Leitschaufel 54 befestigt sein und als Stummelschaufeln ausgeführt werden. Die gestrichelte Linie (56) deutet die Möglichkeit an, die Leitschaufeln wahlweise dennoch mit dem Stator 8 zu verbinden, einerseits aus Stabilitätsgründen, andererseits um eine teilweise Umlenkung des Primärstroms in diesem Bereich zu ermöglichen, sollten die Umlenkung nicht komplett an der Lobe-Rinne 22 möglich sein.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Nachleitkranz mit seinen Leitschaufeln 54 in einem stromabwärtigen Bereich des Blütenmischers 18 integriert ist. Die Leitschaufeln 54 erstrecken sich zwischen den Nasenbereichen 38 der Vertiefungen 22 und dem Konus 4, wobei sie bündig mit der Abströmkante 24 abschließen können. Somit wird über diesen Nachleitkranz ebenfalls nur der innere Teilstrom 12c axial ausgerichtet.
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Gemäß einem in 7 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Blütenmischers 18 können die Vertiefungen 22 in Richtung des Konus 4 mit einer Verlängerung 60 versehen sein, so dass sie in axialer Richtung betrachtet länger als die Erhebungen 20 ausgebildet sind und sich über die gesamte Querschnittsfläche des Heißgaskanals 10 erstrecken. Die Verlängerung 60 dient zur Drallbefreiung und axialen Ausrichtung des inneren Teilstroms 12c, so dass der beispielhaft in den 5 und 6 gezeigte Nachleitkranz mit Stummelschaufeln 54 nicht erforderlich ist.
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Offenbart ist ein Blütenmischer für ein Flugzeugtriebwerk zur Vermischung von Heißgasstrom und Kaltgasstrom mit einer mäanderartigen Kontur, wobei zumindest einige von gegenüberliegenden Seitenwandungen zur ihrer Längsachse asymmetrisch zueinander ausgebildet sind, sowie ein Flugzeugtriebwerk mit einem derartigen Blütenmischer.
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Bezugszeichenliste
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- 4
- Konus
- 6
- Rotorachse
- 8
- Stator eventuell besser: Gehäusewand oder Zwischengehäuse
- 10
- Heißgaskanal
- 12
- Primärstrom
- 12a
- äußerer Teilstrom
- 12b
- mittlerer Teilstrom
- 12c
- innerer Teilstrom
- 14
- Kaltgaskanal
- 16
- Sekundärstrom
- 16a
- Teilstrom
- 18
- Blütenmischer
- 20
- Erhebung
- 22
- Vertiefung
- 24
- Abströmkante
- 26
- Kreisbahn
- 28
- Kontur
- 30
- Seitenwandung (Erhebung)
- 32
- Seitenwandung (Erhebung)
- 34
- Seitenwandung (Vertiefung)
- 36
- Seitenwandung (Vertiefung)
- 37
- Nasenbereich
- 38
- Nasenbereich
- 39
- Drallrichtung
- 40
- ursprüngliche Kontur
- 42
- konkaver Seitenwandungsabschnitt
- 44
- konvexer Seitenwandungsabschnitt
- 46
- Axialrichtung
- 48
- Teilströmung
- 50
- Teilströmung
- 52
- Vertiefungslängsachse
- 53
- Erhebungslängsachse
- 54
- Leitschaufel
- 56
- Alternativ weitergeführte Leitschaufel
- 58
- Durchgang
- 60
- Verlängerung
