CH616991A5 - Axial compressor vane having a backswept leading edge. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Axialverdichtungsschaufel mit einer nach rückwärts gepfeilten Vorderkante, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines stabilen Vorderkantenwirbels (3) die schräge Vorderkante (1) angeschärft ist.

Die Erfindung betrifft eine Axialverdichterschaufel mit einer nach rückwärts gepfeilten Vorderkante.

Es ist bekannt, in Axialverdichtern rückwärts, d. h. in Stromrichtung, gepfeilte Schaufeln einzusetzen (siehe beispielsweise US-PS 3 989 406). Diese Schaufeln weisen auch bei grossen Strömungsgeschwindigkeiten, d. h, dann, wenn die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Vorderkante die Machzahl 1 überschreitet, gute aerodynamische Werte auf. Jedoch hat sich gezeigt, dass bei den bekannten Schaufeln der stabile Betriebsbereich sehr eng ist.

Zwar ist versucht worden, eine kontrollierte Strömung auch bei im Bereich der Schallgeschwindigkeit arbeitenden Verdichterschaufeln zu erzielen. So ist aus der DT-OS 1 903 642 eine Rotorschaufelung bekannt, bei der das Schaufelblatt in einem inneren Teil vorwärts und in einem äusseren Teil rückwärts geneigt ist. Die Gestaltung der Schaufel ist auf die Komponenten der wirkenden Flieh- und Strömungskräfte abgestimmt. Bei der bekannten Schaufel bilden sich jedoch auch unkontrollierte Strömungsverhältnisse aus, wenn die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Voderkante die Machzahl 1 überschreitet. Unkontrollierte Verhältnisse bilden sich auch dann aus, wenn ein bestimmter Anströmwinkel überschritten wird.

Demgegenüber stellt sich die Aufgabe, das bei rückwärts gepfeilten Verdichterschaufeln auftretende unkontrollierte Abreissen der Strömung an den Vorderkanten der Schaufeln zu sehr geringen Ansaugvolumina zu verschieben.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem zur Bildung eines stabilen Vorderkantenwirbels die schräge Vorderkante der Axialverdichterschaufel angeschärft ist.

Durch die Anschärfung der Vorderkante wird errreicht, dass sich ein stabiler Vorderkantenwirbel ausbildet. Dieser Wirbel verdünnt die Grenzschicht auf der Druck- und Saugseite der Schaufel. Damit wird der Arbeitsbereich der Schaufel erweitert. Höhere Anströmgeschwindigkeiten werden bewältigt und die sogenannte Pumpgrenze bei gleichem Verdichtungsverhältnis auf niedrigere Durchsätze erweitert.

Aus der nichtlinearen Tragflügeltheorie (s. z. B. Schlichting/ Truckebrodt, Aerodynamik des Flugzeuges, 2. Band, Seite 75-77, Springer Verlag, Berlin, 1960) ist das Phänomen der Wirbelausbildung an angeschärften Flügelkanten an sich bekannt. Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass für Flügel von kleinem Seitenverhältnis die aerodynamischen Beiwerte (insbesondere Auftriebswert Ca) stark abhängig sind von der Ausbildung der Flügelvorderkante. So kann bei Pfeil- und Deltaflügen eine lokale Ablösung verursacht werden, die zur Ausbildung eines freien Wirbelpaares führt.

Für die bei einem Axialverdichter angewandte Form der angeschärften Schaufelkante gelten diese experimentellen Befunde ebenfalls. Allerdings ist die Technik auf dem Gebiete der Axialverdichter bei der Ausbildung der Schaufeln andere Wege gegangen und hat sich die Erkenntnisse der Tragflügel-Theorie nur teilweise zu eigen gemacht. Möglicherweise erschien der Fachwelt die Theorie des freien, gepfeilten Flügels nicht auf die Verhältnisse eines sich in einem geschlossenen Gehäuse bewegenden Schaufelrades übertragbar.

Theorie und Praxis der aerodynamischen Vorgänge bei Einzelflügeln und Schaufeln an umlaufenden Rotoren von Axialverdichtern ergeben dadurch in erster Linie unterschiedliche Ergebnisse, da bei letzteren die Rotoren innerhalb eines

Gehäusemantels umlaufen, der die Strömungsverhältnisse massgebend beeinflusst. Die an den Schaufelvorderkanten entstehenden Wirbel werden an der Gehäusewand «gespiegelt», d. h. im wesentlichen zurückgeworfen, so dass es zu komplizierten Wechselwirkungen der Wirbel untereinander kommt. Es lässt sich daher die Erkenntnis, die an freien Flügeln gewonnen wird, nicht ohne weiteres auf Axialverdichter übertragen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil der Axialverdichterschaufeln auf der Rotorwelle mit den sich ausbildenden Wirbeln,

Fig. 2 zwei verschiedene Schaufelformen (in Seitenansicht), bei denen die Erfindung verwirklicht ist,

Fig. 3 das Verhältnis n von Ansaug- und Ausgangsdruck, aufgetragen über den Durchsatz des Axialverdichters,

Fig. 4 den Auftriebsbeiwert Ca in Abhängigkeit vom Anströmwinkel a bei verschiedenen Vorderkantenausbildun-gen:

gestrichelt (A...B): Stand der Technik; durchgezogen (A'...B'): gemäss Erfindung.

In Fig. 1 ist ausschnittsweise ein Rotor 10 eines Axialverdichters dargestellt. Der Rotor ist bestückt mit zahlreichen Schaufeln 11, die zusammen mit dem Rotor innerhalb eines (durch eine gestrichelte Linie) angedeuteten Gehäuses 12 umlaufen. Die Umlaufrichtung ist durch einen Pfeil definiert.

Die Vorderkante 1 der Schaufel ist derartig angeschärft,

dass die Strömung an ihr abreisst und einen Wirbel 3 bildet. Dieser Wirbel wird innerhalb weiter Arbeitsbereiche des Verdichters gebildet. Auftrieb und daraus resultierend die Umfangskraft der Schaufel werden dadurch auch für höhere Anströmgeschwindigkeiten verbessert gegenüber dem Stand der Technik.

Da der Wirbel Grenzschichtmaterial sowohl von der Druckais auch von der Saugseite anzieht, wird die verbleibende Grenzschicht auf der Schaufeloberfläche verdünnt und damit die Gefahr des Ablösens der Strömung auf der Schaufel vermindert. Stabilisiert wird ausserdem der laminare Strömungsanteil 4. Durch die Ausbildung des Wirbels 3 an der Vorderkante 1 wird weiterhin ein Wirbel an der Aussenkante 5 erzeugt, der in diesem Bereich ebenfalls für eine Stabilisierung der Strömungsverhältnisse sorgt.

Aus Fig. 1 ist ferner die Fläche der Aussenkante 5 zu erkennen. Im Bereich der Vorderkante 1 ist diese angeschärft, d. h., entsprechend der Lehre der nichtlinearen Tragflügel-Aerodynamik so gestaltet, dass Strömungsablösungen verursacht werden.

Fig. 2a/b zeigen mögliche Gestaltungen der Verdichterschaufel in Seitenansicht. Die Vorderkante 1 ist jeweils stark nach rückwärts gepfeilt. Wenn die Anströmgeschwindigkeit M sich im Überschallbereich befindet, so ist die für das aerodynamische Verhalten der Schaufel bestimmende Komponente M' kleiner als Machzahl 1, befindet sich also im Unterschallbereich.

Hierbei liegt die senkrecht zur Kante 2 stehende Austrittsgeschwindigkeitskomponente M' ebenfalls im Unterschallbereich, während die Meridiankomponente grösser als Mach 1 ist. Hierdurch wird die mögliche Verlustenergie gegenüber der ungepfeilten Kante 2 gemäss Fig. 2a verringert.

Fig. 3 zeigt einen Vergleich der Ergebnisse zwischen einer Beschaufelung üblicher Art (Kurve 20) und gemäss Erfindung (Kurve 30). Die Kurven sind aufgetragen als Druckverhältnis zwischen Ansaug- und Austrittsdruck über dem Durchsatz in Kubikmeter pro Stunde. Beide Kurven 20 und 30 enden an der Pump- bzw. an der Schluckgrenze. Dabei zeigt sich, dass die Pumpgrenze zu kleineren Anströmgeschwindigkeiten ohne s

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wesentlichen Verlust an Verdichtung bei der Anordnung gemäss Erfindung verschoben ist, während die Schluckgrenze sich über den bekannten Grenzbereich nach oben verschieben lässt. Berücksichtigt sind dabei Axialverdichter vergleichbarer Bauart, jedoch mit verschieden angeschärfter Kante der Schaufeln. Die Kurven 20 bzw. 30 zeigen weiterhin, dass eine wesentlich gleichmässigere Druck-Durchsatz-Konstanz über einen mittleren Durchsatzbereich gegeben ist.

Fig. 4 schliesslich zeigt ein Diagramm, bei dem der Auftriebswert Ca in Abhängigkeit vom Anstellwinkel a aufgetragen ist. Während bei konventionellen Axialverdichtern und den Axialverdichtern gemäss Erfindung bei niedrigem Anstellwinkel der Auftriebsbeiwert zunächst etwa gleich ist (bis zum Punkt A, A' der Kurve), zeigt sich ein signifikanter Unterschied bei höheren Anstellwinkeln. Während bei der Kurve des konventionellen Axialverdichters (gestrichelt) sich der Auftriebsbeiwert nach unten neigt, erhöht sich der Auftriebsbeiwert für den Axialverdichter gemäss Erfindung (durchgezogene Kurve). Die Verhältnisse ergeben sich aus den zu den Punkten A, A', B, B' zugehörigen Skizzen:

A: laminare Strömung: lineares Ca/a-Verhalten;

A': schon bei geringem Anstellwinkel beginnt Ablösung von Wirbeln. Im gesamten, praktisch interessierenden unteren Betriebsbereich ergibt sich eine konstante Strömungsausbil-s dung;

B: bei konventionellen Schaufeln erfolgt Ablösung von Wirbeln im hinteren Schaufelbereich. Dadurch wird Leistung herabgesetzt;

B': bei den erfindungsgemässen Schaufeln wird ein stabiler Kantenwirbel durch Abreissen der Strömung an der Vorderkante 2 erzeugt. Es bildet sich ein Wirbel aus, dessen Mittelachse etwa parallel zur Kante 2 verläuft.

Die Betrachtung des Verhaltens bei Durchlauf der Punkte A, A' bzw. B, B' lässt den Schluss zu, dass sich im ganzen interessierenden Betriebsbereich ein stabiler Wirbel ausbildet, und damit die Ablösung der Strömung auf der Schaufel verhindert. Der Arbeitsbereich der Beschaufelung wird zu kleineren Fördervolumina erweitert, wenn die Anschärfung der Vorderkante an die jeweiligen Geschwindigkeitserfordernisse entsprechend fachmännischen Kenntnissen angepasst ist.

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2 Blatt Zeichnungen