Strömungskompressor.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Stromungskompressoren, die nicht als Zentrifugalkompressoren ausgebildet sind. Die Erfindung bezweckt, einen Kompressor dieser Art vorzusehen, welcher bei einer gegebenen Leistung gedrängter und einfacher in der Ausbildung und Konstruktion ist als die bisher bekannten Kompressoren.
Unter den möglichen Arten von Kompres- soren der erwähnten Klasse bezieht sich die Erfindung zum Beispiel auf die üblichen Axialstromungskompressoren und Radialstro- mungskompressoren der Ljungstrom-Bauart.
Bekannte Kompressoren sind gewöhnlieh so ausgebildet, dass sie durch Beschleunigung des Arbeitsfluidums und anschlie¯ende Verzögerung desselben arbeiten, um die bei der Be schleunigung aufgebrachte dynamisehe Energie wenigstens annähernd in Form von Druck- energie wieder zurückzugewinnen. Diese Be schleunigung und Verzögerung kann entweder im Rotor oder im Stator oder in beiden bewirkt werden.
Bei bestehenden Kompressoren ist die Machzahl (das hei¯t das Verhältnis der Ge schwindigkeit des Fluidums an irgendeiner Stelle zu der Geschwindigkeit des Schalles in diesem Fluidum an derselben Stelle) im all gemeinen kleiner als 1 und unter diesen Bedingungen bietet die Beschleunigung des Ar beitsfluidums nur geringe Schwierigkeiten, aber der Verzögerungsvorgang ist infolge der Leichtigkeit, mit welcher eine Stromungs- unstabilität auftreten kann, wesentlichen Be schränkungen unterworfen.
Wenn ausserdem die bei einem Kompressor verwendete maximale Machzahl kleiner als 1 ist, ergibt sich eine bestimmte obere Grenze f r das erreich- bare Stufendruckverhältnis.
Wenn jedoch die Machzahl eines Fluidums grosser als 1 ist, ist die Umwandlung von dy- namischer Energie in Druckenergie auf uf zwei Arten möglich ; entweder durch allmähliche Verzögerung, wobei eine solche Strömung sehr unstabil und daher praktisch sehr schwierig zu verwirklichen ist, oder mittels der als Druckstosswelle bekannten Erseheinung. Diese Erscheinung tritt infolge einer mehr oder weniger momentanen Druckänderung an der Berührungsstelle benachbarter Stromungs- zonen auf, wobei auf beiden Seiten der Stossstelle die Strömungsgeschwindigkeiten mehr oder weniger momentan auf solche WN'eise geändert werden,
dass die strom- aufwärts der Stossstelle gemessene Geschwin- digkeitskomponente der Strömung normal zum Stoss von Überschallgrösse ist, wÏhrend die entsprechende Komponente stromabwärts der Stossstelle von Unterschall- grösse ist : oder in andern Worten die Kom ponenten-lZachzahlen an den fragliehen Stellen sind grösser bzw. kleiner als 1. Es ist somit eine Eigenschaft einer Stosswelle, dass sie eine Kompression auf einem sehr kurzen Abstand und mit verhältnismässig grosser Wirksamkeit bewirken kalm, wobei der Betrag der Druck erhöhung ein Ma¯ für die Starke der Stosswelle ist.
Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Idee, dieses Druekstosswellenprinzip der Energieuniwandlung anzuwenden, um einen nützlichen Druckanstieg in Kompressoren der erwähnten Art zu erhalten. Zu diesem Zweck ist der Kompressor gemäss der Erfindung derart ausgebildet, dass in dem von der Lauf schaufelung bestrichenen Raum beim Ausle- gungspunkt des Kompressors, in welchem der maximale Wirkungsgrad erzielt wird, eine Druckerhöhung durch Nutzbarmachung der Umwandlung von dynamischer Energie in Druekenergie mittels eines mit dem Rotor drehenden Druekstosswellensystems erhalten wird.
Der Ausdruck Druekstosswellensystem bezeiehnet eine systematische Verteilung von Druckwellen oder eine einzelne identifizierbare Druekwelle.
Im Idealfall sollte das ganze Druckstoss- wellensystem in dem von der Laufsehaufe lung bestriehenen Raum enthalten sein, doeh ist in der Praxis dieser Idealzustand nur sehr schwer zu erreichen, dagegen kann dafür Sorge getragen werden, dass mindestens der grösste Teil des Stosswellensystems (vom Ce- sichtspunkt der Intensität aus betrachtet) sieh in diesem Raume befindet.
Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, dass, wenn in einen Fluidumstrom ein Hindernis gebraeht wird, das den Strom von seinem Wege ablenkt, und wenn die Ge sehwindigkeit des Stromes relativ zu diesem Hindernis Überschallgeschwindigkeit ist (das heisst die relative Machzahl gr¯¯er ist als 1), ein Druckstosswellensystem erzeugt wird, und da¯, wenn ausserdem das Hindernis ein Keil ist, dessen eine Fläehe parallel zur Strömungsrichtung verläuft, durch geeignete Wahl des Keilwinkels erreicht werden kann, dass nur der Teil des Stromes, welcher an der unter dem erwähnten Winkel zur Stromungsrichtung geneigten Fläche des Keils vorbeiströmt. abgelenkt wird, so dass ein Druckstosswellen- system nur auf einer Seite erzeugt wird.
Ein Stosswellensystem, das zum Beispiel mittels einer keilförmig zugeschärften Schaufel durch Ablenkung des Fluidstromes erzeugt wird, kann zweckmϯig ¸KontinuitÏtssto¯¯ genannt werden, da es als Ergebnis einer versuchten Verletzung des Kontinuitätsgesetzes bei einer Strömung betraehtet werden kann, im Gegensatz zu dem zweekmässig mit ¸Impulssto¯¯ bezeichneten System, das als Ergebnis einer versuchten Verletzung des Satzes von der Erhaltung des Impulses betrachtet werden kann. Die letztere Form tritt beispielsweise im Übersehallgebiet einer erweiterten Lavald se auf.
Wenn in einer solchen D se keine Verluste auftreten wurden und das Fluidum ein vollkommenes Cas wäre, w rde eine Expansion stattfinden, bis die Machzahl @ gro¯ und die Tempenatur würde. In Wirkliehkeit können diese Bedingungen jedoch nicht erfüllt werden, so dass in der Düse eine Stosswelle auftreten muss, wenn das Gesetz der Erhaltung des Impulses eingehalten werden soll.
Ein Impulsstosswellensystem in dem von der Laufsehaufelung bestrichenen Raum ergäbe eine ausführbare Variante zum KontinuitÏtssto¯wellensystem, wenn das erstgenannte System mit gutem Wirkungsgrad anwendbar wÏre und dadurch erzeugt werden konnte, dass die Strömung durch die Schaufelung des Rotors mit Überschallgeschwindigkeit erfolgte, bei derart geformten Schaufeln, dass sie eine erweiterte Laval-D se bilden w rden.
Aueh in diesem Fall, bei gegebener Eintritts machzahl nicht kleiner als 1, würde sich notwendigerweise eine Art Kontinuitätsstosswelle bilden an den Leitkanten der Schaufeln, da diese von endlieher Dieke sein müssen ; eine solehe Stosswelle würde sieh aber nicht notwendigerweise in den von der Rotorschaufe- lung bestriehenen Raum hinein ausbreiten und mit dem Rotor rotieren, in welchem Fall, vom Standpunkt der Erreiehung einer nützlichen Druekerhöhung aus gesehen, nur die in den SchaufelkanÏlen auftretende Impulsstosswelle als wirksam betrachtet werden konnte.
Dagegen muss gesagt werden, dass ein Impuls- stosswellensvstem soleher Art allein nur eine ungenügende aerodynamische Stabilität und einen kleinen Wirkungsbereich aufweisen würde, verglichen mit einer Kontinuitätsstosswelle, und dass ein Impulsstosswellen- system zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades im Betrieb, durch die Erzeugung eines Kontinuitätsstosswellensystems stromaufwärts des erstgenannten S-stems innerhalb des von der Rotorsehaufelung bestrichenen Raumes, stabilisiert werden müsste.
Dementsprechend kann das Druckstosswellensystem in einer be vorzugten Ausführungsform am Rotoreinlass erzeugt werden, und zwar infolge der Ablenkung eines sich relativ zu diesem mit Über- schallgeschwindigkeit bewegenden Fluidumstromes durch die Schaufeln des Rotors ;
ferner können die Laufsehaufeln im Bereich der Leitkanten keilförmig ausgebildet sein (dieses Erfordernis kann zum Beispiel als erfüllt angesehen werden, wenn die Tangentialebenen an die Flächen einer Schaufel an ihrer Schnittlinie keilförmig zusammenstossen), wäh- rend zur Gewährleistung der Stossintensität in dem von der Laufsehaufelung bestrichenen Raum die Anordnung so getroffen werden kann, dass die Hauptablenkung des Stromes durch die Vorderfläehe, das heisst die in der Drehrichtung des Rotors vorangehende Schau felfläche erfolgt, wobei die Hinterfläche, das heisst die in der Drehrichtung des Rotors auf der Rüekseite der Sehaufel befindliche Fläche, so angeordnet sein kann,
dass sie zu der einfallenden Strömung parallel verläuft, oder mindestens unter einem kleineren Winkel zur Strömungsrichtung vor der Ablenkung geneigt ist als die Vorderfläche.
In der Wahl des Keilwinkels besteht ein gewisser Spielraum ; doch wird zur Erzielung der besten Resultate der Winkel des Keils für eine gegebene, zugehörige Machzahl zweek- mässig kleiner gewählt als der sogenannte Ab losungswinkel. Letzterer Ausdruck kann wie folgt definiert werden :
Wenn, wie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt, ein verhältnismässig spitzer Keil 4 in trine Strömung F mit Vberschallgeschwindig keit gebracht wird, wird die entstehende Stol3- welle W, wie dargestellt, sich am Scheitelpunkt des Keils und, wenn die einfallende Strömung mit einer der Flächen parallel ist, nur auf einer Seite desselben entwickeln.
Wenn jedoch für eine gegebene Machzahl für die einfallende Strömung der Winkel vergrössert wird, so wird ein Wert erreicht, bei dem sich die Stosswelle auf einer kurzen Streeke entgegen der Strömungsrichtung ausbreitet, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, dabei vollständig vom Keil abgelöst wird und sich anschliessend auf beiden Seiten desselben ausbreitet. Es ist dies der Wert des Keilwinkels, der für eine gegebene Machzahl der einfal- lenden Strömung als Ablösungswinkel des Keils bei dieser Machzahl angesehen wird.
Das Vorangehende erfordert natürlich eine Machzahl des Fluidums relativ zum Rotor an dessen Einlass, die nicht kleiner ist als 1.
Vorzugsweise ist jedoch die Machzahl an dieser Stelle relativ zum Statorelement kleiner als 1. In ähnlicher Weise ist es erwunscht, dass die Machzahl des Fluidums relativ zum Rotor an dessen Auslass kleiner als 1 ist, obschon auch hinreiehende Ergebnisse erreicht werden können, wenn am Rotoraustritt lokale Zonen mit Überschallgeschwindigkeit auftreten. Im allgemeinen erhält man, wenn man die relative Fluidumsgeschwindigkeit allein sich auf Überschallgeschwindigkeit erhohen lässt, wie dies als Idealfall gelten kann, höhere Wirkungsgrade als dies sonst mit Überschall- verdichtung der Fall ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindimgs- gegenstandes, und zwar eine Kompressorstufe mit axialer Strömung, ist in Fig. 3 schema tisch dargestellt, in der ein Rotorelement 2, in welchem 2A und 2B zwei benachbarte Schaufeln sind, in Pfeilrichtung rotiert und zwischen einem Einlassstatorelement l und einem Auslassstatorelement 3 angeordnet ist.
Die in Fig. 3 teilweise dargestellten Rotorund Statorelemente sind selbstverständlieh Teile von vollständigen Seheibenkörpern, die koaxial angeordnet und an ihrem ganzen Umfang mit Sehaufeln versehen sind. Die in den entsprechenden Vektordiagrammen verwen- deten Bezeichnungen (Fig. 4, 5, 7, 8 und 10) haben die folgende Bedeutung :
M = Geschwindigkeitsvektor, a = Luftwinkel bezüglich einer Axial- ebene des Kompressors ; die Indices haben folgende Bedeutung : p auf den Umfang bezüglich (Um fangsgeschwindigkeit) r = auf den Rotor bezüglich (Relativ- geschwindigkeit) s = auf den Stator bezüglich (Absolut geschwindigkeit),
1 = Rotoreintritt, 2 = Rotoraustritt.
Im Diagramm in Fig. 4 stellt llsl den Vektor der Absolutgeschwindigkeit und Mp1 den Umfangsgeschwindigkeitsvektor des Rotors 2 dar. Der Vektor Mr1 stellt den Relativ geschwindigkeitsvektor am Rotoreintritt dar.
Fig. 5 zeigt die entsprechenden Geschwin- digkeitsvektoren am Rotoraustritt.
Die in Betracht gezogenen Betriebsbedin gungen sind die folgenden :
1. Dass die Absolutgesehwindigkeit des Ar beitsfluidums von Unterschallgrosse sein soll, während die Relativgeschwindigkeit von ¯berschallgro¯e sein sollte. Um dies zu erreichen, sollte der Vektor lIsl eine Komponente in zur Richtung des Vektors Mp1 entgegenge- setzter Riehtung besitzen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, so dass die Sehnen der Sehaufeln des Stators 1 und des Rotors 2 in bezug auf eine Axialebene des Kompressors im selben Sinne geneigt sind.
2. Da¯ die Rotorschaufel im Bereich ihrer Leitkante, wie vorstehend beschrieben, keilförmig ausgebildet sein sollte, wobei der Keilwinkel nicht grosser ist als der Ablosungswin- kel f r die Eintrittsmaehzahl bei den Arbeitsbedingungen, bei welchen der maximale Wir kungsgrad erzielt wird.
3. Dass im Idealfall der Auffallwinkel des Fluidums auf die Rotorschaufeln im Hinbliek auf die bereits erwÏhnten Prinzipien bez glich der. Anordnung der Sehaufelfläehen so abgestimmt werden sollte, dass das Druekstosswel lensystem nur an der Vorderfläche einer jeden Schaufel erzeugt wird und dass der Kompres sionsdruek sich nicht in das in Gegenstrom- richtung liegende Statorelement ausbreitet, oder doch mindestens, dass die Intensität des Stosswellensystems an der Vorderflache der Schaufel grosser ist als an deren Hinterseite.
Die ideale Anordnung wäre eine solche, wenn zum Beispiel eine von einer Rotorsehau- fel 2B ausgehende Druckstosswelle PQ zum Beispiel ein oder mehrmals (wie durch QR angegeben) an der Unterseite der nächsten Rotorschaufel 2A in der Reihe reflektiert wird.
Bei einem nicht idealen, aber trotzdem wirksa. men System kann zum Beispiel eine Druekstosswelle PS auftreten, die weniger intensiv ist als PQ und die infolge ihrer Richtung an der Rüekseite der Schaufel 2B sich in das in Gegenstromrichtung liegende Statorelement 1 ausbreiten kann.
Um von der in Betracht fallenden Kompressionsstufe einen grossen Druckanstieg zu erzielen, ist es erwünscht, dass die Relativgeschwindigkeit des Arbeitsfluidums am Roi torauslass von Unterschallgrosse ist. Die Schaufeln k¯nnten jedoch für ein Druckstoss wellens-stem innerhalb des von der Lauf sehaufelung bestrichenen Raumes entworfen sein, bei dem in gewissen Zonen des Austrittes Überschallgeschwindigkeit auftritt, ohne da¯ dadureh der Wirkungsgrad des Kompressors in unerwünschter Weise verschlechtert würde.
Jedenfalls sollte die Absolutgeschwindigkeit des Arbeitsfluidums am Rotorauslass von Un terschallgrosse sein, was am besten dadurch erreicht wird, dass der Vektor Mr2, wie in Fig. 5 dargestellt, eine dem Vektor Mp2 ent gegengesetzt gerichtete Komponente aufweist.
Der Einlasswinkel des Stators 3 wird, wie blich, so gewählt, dass er dem Absolutgeschwindigkeitsvektor Ms2 angepa¯t ist. Die restliehe Ausgestaltung des Stators 3 entspricht den üblichen Gepflogenheiten und hängt von der Aufgabe ab, die er erfüllen soll, ferner vom geforderten Luftaustritts- winkel.
Da die relativen Strömungsgeschwindig- keiten gross sind, ist es, wenn grosse Verluste vermieden werden sollen, erwünscht, dass ausser der im Bereich der Leitkante keilför- migen Ausbildung der Schaufel mit geeig netem Keilwinkel bei der Ausgestaltung der Profile der Rotorsehaufeln unnötig starke Krümmungen vermieden werden. Zu diesem Zweck kann die Rotorschaufel zweckmässiger- weise die in Fig. 3 dargestellte Form besitzen, dass heil3t ein annähernd rhombisches Profil aufweisen. Man kann aber auch andere Profile, zum Beispiel bikonvexe, konkav-konvexe oder Doppelkeile, mit nur geringer oder gar keiner Wölbung verwenden.
Die Schaufeln können zum Beispiel eine derart kleine Kriimmung aufweisen, dass die Schaufelsehne wenig stens annähernd ganz im Innern des Schaufelquerschnittes liegt, wobei der Neigungswinkel, den die Schaufelsehne mit der Axial. ebene des Rotors bildet, zweckmϯig grosser als 50 ist.
Es versteht sich, dass der Kompressor so gestaltet sein sollte, dass das Druckstosswellensystem in dem vom Rotor bestrichenen Raum über den ganzen vorgesehenen, wirksamen Ar- beitsbereich der Maschine aufrechterhalten wird.
I) ie hauptsächliehsten Vorteile eines Kompressors der besebriebenen Art bestehen darin, dass er gestattet, die Einfachheit und Leichtig- keit des Zentrifugalkompressors mit der überlegenen Form des Axialstromungskompressors zu kombinieren. Zwei oder mehrere beschrie- bene Kompressorstufen können verhältnis- mässig leicht miteinander verbunden werden, so dass man ein hohes Druckverhältnis in einer einzigen gedrängten Machine erzeugen kann, oder man kann eine oder mehrere solcher Stufen mit üblieh ausgebildeten Stufen (ein schliesslich Zentrifugalstufen) kombinieren.
Da das Arbeitsfluidum in einem grossen Winkel abgelenkt wird, konnte die Verbindung auch mit einem in entgegengesetzter Rich- tung rotierenden Rotor ohne Verwendung xwischeng'eschalteter Statorschaufeln erfolgen.
Ein Beispiel ist in Fig. 9 und die entsprechenden Vektordiagramme sind in Fig. 10 dargestellt, in welchen für gleiche entsprechende Teile die gleiehen Bezugszahlen wie in Fig. 4 und 5 verwendet werden. Das Beispiel zeigt eine Verbundanordnung, wobei ein Stator 1 und ein Rotor 2 mit den entsprechenden Schah- feln 2i1 versehen ist, sowie einen ähnliehen, die zweite Stufe bildenden Rotor 5 mit Schaufeln 5i1 und einer Einlassmachzahl, die grosser als 1 ist ;
anschliessend ist ein Stator 3 vorgesehen, auf welehen ein Rotor 6 folgt, der für normalen Unterschallbetrieb berechnet ist (Einlassmaehzahl kleiner als 1) lad an welchen sich ein entsprechender Auslassstator 7 anschliesst.
Der erfindungsgemässe Kompressor eignet sich insbesondere für Flugzeug-Gasturbinen, ist jedoch selbstverständlich nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt.
Wie früher erwähnt, kann ein Impuls- Stosssystem in dem von der Laufsehaufelung bestrichenen Raum erzeugt werden an Stelle eines Kontinuitätssystems wie vorangehend mit Bezug auf Fig. 3 besehrieben, obwohl dieses letztere vorteilhafter erscheint. Ein Ausführungsbeispiel einer solehen Anordnung mit Impulsstosssystem ist in Fig. 6 dargestellt mit den entsprechenden Vektordiagrammen in Fig. 7 und 8.
Gemäss Fig. 6 sind die zwi- schen den Schaufeln 2A des Rotors liegenden Kanäle divergent, so dass, wenn die Geschwin- digkeit der Fluidstromung in diesen Kanälen von Überschallgrosse ist, im Kanal eine Stosswelle r auftritt. An der Vorderkante der Schaufeln wird sich allerdings ein Kontinui- tätsstosswellensystem bilden, das sich zum grössten Teil wie bei r eingezeichnet ausbrei- ten wird.
Infolge dieses Stosswellensystems würden Vorverdiehtungen bei Überschall stromauf- wärts der engsten Stelle des Kanals auftreten.
Der Hauptdruckanstieg dagegen würde an der Stelle der Stosswelle T auftreten.
Der Hauptnachteil einer solehen Anordnung gemäss Fig. 6 bis 8 ist aber der, dass die Lage der Stosswelle T von den Grenzschicht- verhältnissen beeinflusst wird, so dass die Stossstelle merklich wandern wird und dass das Stosswellensystem nicht über einen grossen Betriebsbereich stabil ist.