DE10027084C2 - Leitschaufel und Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter - Google Patents
Leitschaufel und Leitschaufelkaskade für einen AxialverdichterInfo
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- DE10027084C2 DE10027084C2 DE10027084A DE10027084A DE10027084C2 DE 10027084 C2 DE10027084 C2 DE 10027084C2 DE 10027084 A DE10027084 A DE 10027084A DE 10027084 A DE10027084 A DE 10027084A DE 10027084 C2 DE10027084 C2 DE 10027084C2
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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- F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
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Description
Die Erfindung betrifft eine Stator- bzw. Leitschaufel und eine Leit
schaufelkaskade für einen Axialverdichter, wie etwa eine Gasturbine, und
insbesondere eine Leitschaufel und eine Leitschaufelkaskade in einem
Axialverdichter, bei der der Druckverlust im Überschallbereich reduziert
werden kann.
Aus den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 9-256997 und 8-
254156 sind Laufschaufeln für einen Axialverdichter bekannt, in denen
eine Vertiefung an einer im wesentlichen zentralen Stelle oder an einer
Stelle nahe einem Vorderrand an der Wölbungsaußenseite (einer Unter
druckseite) eines Schaufelprofils ausgebildet ist, so daß im Überschall
bereich zwei Stoßwellen erzeugt werden, um die Ablösung einer Grenz
schicht zu verhindern und hierdurch den Druckverlust zu reduzieren. Aus
dem US-Patent Nr. 5,395,071 ist ein Schaufelprofil bekannt, welches
sowohl für ein komprimierbares Fluid als auch für ein inkompressibles
Fluid anwendbar ist, in dem eine Vertiefung an einer im wesentlichen
zentralen Stelle jeweils der Wölbungsinnenseite (einer Überdruckseite)
und der Wölbungsaußenseite (einer Unterdruckseite) ausgebildet ist, so
daß ein Laminar strömender Grenzschichtbereich lange erhalten bleibt
und eine Ablösung unterbunden wird, um hierdurch die Leistung bei
großen Anstellwinkeln zu verbessern.
Aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 11-13692 ist ferner
eine Rotor- bzw. Laufschaufelkaskade für einen Axialverdichter bekannt,
die so ausgestaltet ist, daß das Erzeugen einer Stoßwelle zwischen den
Schaufeln gedämpft wird, indem der Abstand zwischen den Wölbungs
innenseiten und Wölbungsaußenseiten benachbarter Laufschaufeln im
Bereich von 5% von der Wurzel der Laufschaufel gelegt wird.
Wenn die Strömung, die in die Leitschaufel des Axialverdichters eintritt,
eine kritische Machzahl erreicht, erreicht die Strömungsgeschwindigkeit
Schallgeschwindigkeit an der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel, so
daß eine Stoßwelle entsteht. Aus diesem Grund wird ein starker Stoß
wellenbildungswiderstand erzeugt, was eine Leistungsminderung ver
ursacht. Um die Leistung des Axialverdichters zu verbessern, ist es daher
erforderlich, die an der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel erzeugte
Stoßwelle zu dämpfen, um hierdurch den Wellenwiderstand zu reduzie
ren.
Aus der US-PS'en 53 52 092 und 33 33 817 sind Schaufelprofile für
Dampfturbinen bekannt, bei welchen im Bereich des Vorderrandes
konvexe Abschnitte der im übrigen konkaven Wölbungsinnseite
angeordnet sind.
Aus der US 29 91 929 sind eine Leitschaufel und eine
Leitschaufelkaskade nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4
bekannt, und zwar bei einem Axialverdichter für den Überschallbereich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leitschaufel und eine Leitschauf
elkaskade für einen Axialverdichter aufzuzeigen, bei der der Wellenwiderstand
durch die Erzeugung einer Stoßwelle im Überschallbereich auf
das Minimum gesenkt werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung
eine Leitschaufel für einen Axialverdichter vorgeschlagen, mit einer einen
Überdruck erzeugenden konkaven Wölbungsinnenseite und einer einen
Unterdruck erzeugenden konvexen Wölbungsaußenseite, wobei die
Leitschaufel in einer ringförmigen Fluidpassage anzuordnen ist, wobei
sowohl die Wölbungsinnenseite als auch die Wölbungsaußenseite an
einer Seite einer Sehnenlinie liegen, wobei die Leitschaufel - in Bezug auf
die Strömungsrichtung - einen Vorderrand und einem Hinterrand
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufel an der
Wölbungsinnenseite seitens des Vorderrands einen ersten Wulst und
seitens des Hinterrands einen zweiten Wulst aufweist, wobei der erste
und der zweite Wulst konvexe Endabschnitte der Wölbungsinnenseite
bilden.
Bevorzugt ist die Leitschaufel dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand
Xa vom Vorderrand zum Vorderende des zweiten Wulsts, bezogen auf
die Sehnenlänge C, im Bereich von 0,60 < Xa/C < 0,90 liegt.
Bevorzugt ist die Leitschaufel dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand
Xb vom Vorderrand zum Hinterende des ersten Wulsts, bezogen auf die
Sehnenlänge C, im Bereich von 0,05 < Xb/C < 0,40 liegt.
Wenn das Fluid zur in der ringförmigen Fluidpassage angeordneten
Leitschaufel strömt, wird die Ablösung einer Grenzschicht durch den
ersten Wulst, der an der Wölbungsinnenseite beim Vorderrand
vorgesehen ist, begünstigt, wodurch die Erzeugung einer Stoßwelle an
der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel benachbart in der
Wölbungsinnenseite gedämpft werden kann, um hierdurch den
Wellenwiderstand zu reduzieren. Zwar nimmt der Reibungswiderstand
aufgrund der Ablösung der Grenzschicht an dem ersten Wulst ein wenig
zu, wobei jedoch diese Zunahme sehr viel geringer ist im Vergleich zu
einer Abnahme des Wellenwiderstands, der durch die Dämpfung der
Erzeugung der Stoßwelle erzeugt wird. Daher kann der Widerstand an der
gesamten Leitschaufel wesentlich reduziert werden. Die Grenzschicht, die
durch den ersten Wulst am Vorderrand der Wölbungsinnenseite unstabil
wird, kann durch den zweiten Wulst am Hinterrad der
Wölbungsinnenseite wieder stabilisiert werden. Daher kann die Zunahme
des Reibungswiderstands durch das Ablösen der Grenzschicht an der
Wölbungsinnenseite auf das Minimum gesenkt werden.
Besonders zufriedenstellend läßt sich dieser Effekt erzielen, indem man
den Abstand Xa vom Vorderrand zum Vorderende des zweiten Wulsts in
den Bereich von 0,60 < Xa/C < 0,90 in bezug auf die Sehnenlänge C
setzt und indem man den Abstand Xb vom Vorderrand zum Hinterende
des ersten Wulsts im Bereich von 0,05 < Xb/c < 0,40 in bezug auf die
Sehnenlänge C setzt.
Zur Lösung der Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung
eine Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter vorgeschlagen, um
fassend eine große Anzahl von Leitschaufeln, die in einer ringförmigen
Fluidpassage anzuordnen sind, wobei jede Leitschaufel eine einen Über
druck erzeugende konkave Wölbungsinnenseite und eine einen
Unterdruck erzeugende konvexe Wölbungsaußenseite aufweist, wobei
die Leitschaufel - in Bezug auf die Strömungsrichtung - einen Vorderrand
und einen Hinterrand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Verteilung von zur Wölbungsaußenseite senkrechten Abständen
zwischen der Wölbungsaußenseite und der Wölbungsinnenseite zweier
benachbarter Leitschaufeln in Sehnenrichtung vom Vorderrand zum
Hinterrand zunimmt und einen Maximalwert erreicht; dann abnimmt und
einen Minimalwert erreicht; und dann wiederum zunimmt.
Hierbei wird die Strömung an der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel in
einem Bereich stabilisiert, wo der Abstand den Maximalwert einnimmt.
Ferner wird die Strömung an der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel in
einem Bereich stabilisiert, an dem der Abstand den Minimalwert
einnimmt.
Bevorzugt liegt das Verhältnis der Sehnenlänge der Leitschaufel zum
Abstand zwischen benachbarten Leitschaufeln im Bereich von 1,5 bis
3,0.
Bei der Leitschaufelkaskade wird eine Grenzschicht an der
Wölbungsinnenseite in dem Bereich unstabil, in dem der Abstand
zwischen den Wölbungsinnenseiten und den Wölbungsaußenseiten der
Leitschaufelkaskade den Maximalwert einnimmt, um eine Ablösung der
Grenzschicht zu begünstigen. Hierdurch kann das Entstehen einer Stoß
welle an der Wölbungsaußenseite, die der unstabil gewordenen Grenz
schicht gegenüberliegt, unterbunden werden, um den Wellenwiderstand
zu reduzieren. Durch die Ablösung der Grenzschicht an den
Wölbungsinnenseiten nimmt der Reibungswiderstand ein wenig zu.
Jedoch ist diese Zunahme sehr viel geringer im Vergleich zu einer Minde
rung des Wellenwiderstands, der durch die Dämpfung der Erzeugung der
Stoßwelle verursacht wird. Daher kann der Gesamtwiderstand merklich
reduziert werden. Zusätzlich erreicht der Abstand zwischen den Wöl
bungsinnenseiten und den Wölbungsaußenseiten der Leitschaufelkaskade
den Maximalwert und nimmt dann auf den Minimalwert ab. Durch
Drosselung der Strömung und deren erneute Beschleunigung in dem
Bereich, in dem der Abstand den Minimalwert einnimmt, kann daher die
Grenzschicht stabilisiert werden, um hierdurch die Ablöseneigung zu
unterbinden und hierdurch eine Zunahme des Reibungswiderstands
aufgrund der Ablösung der Grenzschicht an der Wölbungsinnenseite zu
unterbinden.
Der Abstand zwischen den Wölbungsinnenseiten und den Wölbungs
außenseiten in der Leitschaufelkaskade wird hier als Länge einer zur
Wölbungsaußenseite senkrechten Linie definiert, die von der
Wölbungsinnenseite der einen Leitschaufel zur Wölbungsaußenseite der
anderen Leitschaufel gezogen wird. Ferner kann der oben beschriebene
Effekt besonders zufriedenstellend erreicht werden, indem man das
Verhältnis der Sehnenlänge der Leitschaufel zum Abstand zwischen
benachbarten Leitschaufeln in einem Bereich von 1,5 bis 3,0 setzt.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
und unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt im Diagramm ein Schaufelprofil nach einer ersten
Ausführung und Krümmungsänderungen einer Wölbungsinnenseite und
einer Wölbungsaußenseite der Schaufel;
Fig. 2A und 2B zeigen in Diagrammen eine Leitschaufelkaskade
der Schaufeln nach der ersten Ausführung und eine Abstandsänderung
zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten in der
Leitschaufelkaskade;
Fig. 3 zeigt im Diagramm ein Profil einer Schaufel nach einer
zweiten Ausführung und Krümmungsänderungen einer Wölbungsinnen
seite und einer Wölbungsaußenseite der Schaufel;
Fig. 4A und 4B zeigen in Diagrammen eine Leitschaufelkaskade
der Schaufel nach der zweiten Ausführung und eine Abstandsänderung
zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten in der
Leitschaufelkaskade;
Fig. 5 zeigt im Diagramm ein Profil einer Schaufel nach einer
dritten Ausführung und Krümmungsänderungen einer Wölbungsinnenseite
und einer Wölbungsaußenseite der Schaufel;
Fig. 6A und 6B zeigen in Diagrammen eine Leitschaufelkaskade
der Schaufeln nach der dritten Ausführung und eine Abstandsänderung
zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten in der
Leitschaufelkaskade;
Fig. 7 zeigt im Diagramm die Verteilung eines Sehnenabstands
zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten benach
barter Leitschaufeln;
Fig. 8 zeigt im Diagramm die Beziehung zwischen der Machzahl
und dem Druckverlustkoeffizienten;
Fig. 9 zeigt im Diagramm das visualisierte Verhalten der Strö
mung um die Leitschaufel der ersten Ausführung;
Fig. 10 zeigt im Diagramm das visualisierte Verhalten der Strö
mung um eine Leitschaufel eines Vergleichsbeispiels;
Fig. 11 zeigt im Diagramm ein Profil der Schaufel des Vergleichs
beispiels und von Krümmungsänderungen einer Wölbungsinnenseite und
einer Wölbungsaußenseite der Schaufel; und
Fig. 12A und 12B zeigen in Diagrammen eine Leitschaufelkas
kade der Schaufeln des Vergleichsbeispiels und eine Abstandsänderung
zwischen zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten
der Leitschaufelkaskade.
Eine Leitschaufel nach einer ersten Ausführung, wie sie in Fig. 1 gezeigt
ist, ist in einer ringförmigen Fluidpassage in einem Axialverdichter vor
gesehen. Bei der Leitschaufel ist das linke Ende ein Vorderrand, und das
rechte Ende ist ein Hinterrand. Eine Strömungsinnenseite (eine Über
druckseite), die bei Fluidströmung einen Überdruck erzeugt und eine
Wölbungsaußenseite (einer Unterdruckseite), die bei Fluidströmung einen
Unterdruck erzeugt, befinden sich über einer Sehnenlinie, welche die
Wölbungsinnenseite an zwei Stellen in der Nähe der Vorder- und Hinter
ränder berührt. Es gibt verschiedene Definitionen für die Sehnenlinie in
Abhängigkeit von der Form des Schaufelprofils, wobei jedoch wie hier die
Sehnenlinie definitionsgemäß allgemein auf ein Schaufelprofil anwendbar
ist, dessen Wölbungsinnenseite und Wölbungsaußenseite beide zur
Wölbungsaußenseite hin gekrümmt sind. Die Abszissenachsen und die
Ordinaten in den das Schaufelprofil zeigenden Koordinaten sind durch
den Prozentsatz ausgedrückt, wobei die Sehnenlänge C als 100%
definiert ist.
Die mit durchgehender Linie gezeigte Krümmung der Wölbungsaußenseite
nimmt über die gesamte Sehnenlänge C einen positiven Wert ein, und
daher ist die Form der Wölbungsaußenseite über die gesamte Sehnen
länge C nach oben konvex gekrümmt. Andererseits nimmt die mit unter
brochener Linie gezeigte Krümmung der Wölbungsinnenseite einen
positiven Wert im Bereich R2 von 15% bis 80% der Sehnenlänge C ein,
nimmt jedoch im Bereich R1 von 0% bis 15% der Sehnenlänge C, und
im Bereich R3 von 80% bis 100% der Sehnenlänge C einen negativen
Wert ein. Daher ist die Form der Wölbungsinnenseite im zentralen Bereich
R2 konvex nach oben gekrümmt, jedoch im Bereich R1 an der Seite des
Vorderrands und im Bereich R3 an der Seite des Hinterrands konvex nach
unten gekrümmt.
Die Krümmung der Wölbungsaußenseite nimmt monoton vom Vorderrand
zum Hinterrand zu und erreicht nahe 40% der Sehnenlänge C einen
Maximalwert und nimmt dann monoton ab. Die Krümmung der Wöl
bungsinnenseite nimmt monoton vom Vorderrand zum Hinterrad zu und
erreicht einen Maximalwert nahe 54% der Sehnenlänge C und nimmt
dann monoton ab.
An der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel bildet ein Abschnitt, der im
Bereich R1 an der Seite des Vorderrands konvex nach unten gekrümmt
ist, einen ersten Wulst, und ein Abschnitt, der im Bereich R3 an der Seite
des Hinterrands konvex nach unten gekrümmt ist, bildet einen zweiten
Wulst.
Die Fig. 2A und 2B zeigen eine Abstandsänderung zwischen einer
Wölbungsinnenseite und einer Wölbungsaußenseite zweier benachbarter
Leitschaufeln in einer Leitschaufelkaskade von einem Vorderrandab
schnitt (ein Verengungsabschnitt) zu einem Hinterrandabschnitt. Wie in
Fig. 2A gezeigt, ist eine senkrechte Linie von der Wölbungsinnenseite
der oberen Leitschaufel zur Wölbungsaußenseite der unteren Leitschaufel
nach unten gezogen, und eine Längenänderung der senkrechten Linie in
Richtung der Sehne ist in Fig. 2B gezeigt, wobei die Wölbungsaußen
seite der unteren Leitschaufel geradlinig abgewickelt ist. Die Änderung in
Fig. 2B, die in Richtung der Ordinatenachse vergrößert ist, ist in Fig. 7
mit durchgehender Linie gezeigt. Der Abstand zwischen der Wölbungs
innenseite und der Wölbungsaußenseite nimmt vom Vorderabschnitt zum
Hinterrandabschnitt zu und erreicht einen Maximalwert bei einem Punkt a
nahe 55% der Sehnenlänge C; nimmt dann ab und erreicht einen Mini
malwert Punkt a' nahe 82% der Sehnenlänge C und nimmt dann
wiederum zu.
Bei der Leitschaufel der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführung nimmt
die Krümmung einer mit durchgehender Linie gezeigten Wölbungsaußen
seite über die gesamte Sehnenlänge C einen positiven Wert ein. Daher ist
die Form der Wölbungsaußenseite über die gesamte Sehnenlänge C
konvex nach oben gekrümmt. Andererseits nimmt die Krümmung einer
mit unterbrochenen Linie gezeigten Wölbungsinnenseite im Bereich R2
von 24% bis 66% der Sehnenlänge C und im Bereich R4 von 86% bis
100% der Sehnenlänge C einen positiven Wert ein, nimmt jedoch in
einem Bereich R1 von 0% bis 24% der Sehnenlänge C und in einem
Bereich R3 von 66% bis 86% der Sehnenlänge C einen negativen Wert
ein. Daher ist die Form der Wölbungsinnenseite in den zwei Bereichen R2
und R4 nach oben konvex gekrümmt, jedoch in den zwei anderen Berei
chen R1 und R3 nach unten konvex gekrümmt.
Die Krümmung der Wölbungsaußenseite nimmt vom Vorderrand zum
Hinterrand zu und erreicht einen Maximalwert nahe 22% der Sehnen
länge C, nimmt dann ab und erreicht einen Minimalwert nahe 45% der
Sehnenlänge C; und nimmt dann zu. Die Krümmung der Wölbungsinnen
seite nimmt vom Vorderrand zum Hinterrand ab und erreicht einen
Minimalwert bei 22% der Sehnenfänge C; nimmt dann zu und erreicht
einen Maximalwert nahe 45% der Sehnenlänge C; nimmt dann ab und
erreicht einen Minimalwert bei 73% der Sehnenlänge C; und nimmt dann
zu.
Bei der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel bildet ein Abschnitt, der im
Bereich R1 an der Seite des Vorderrands konvex nach unten gekrümmt
ist, einen ersten Wulst, und ein Abschnitt, der im Bereich R3 an der Seite
des Hinterrands konvex nach unten gekrümmt ist, bildet einen zweiten
Wulst.
Wie in den Fig. 4B und 7 gezeigt (siehe strichpunktierte Linie) nimmt
der Abstand zwischen der Wölbungsinnenseite und der Wölbungsaußen
seite in der Leitschaufel nach der zweiten Ausführung vom Vorderrand
zum Hinterrand zu und erreicht einen Maximalwert bei einem Punkt b
nahe 50% der Sehnenlänge C; nimmt dann ab und erreicht einen Mini
malwert bei Punkt b' nahe 80% der Sehnenlänge C; und nimmt dann
wiederum zu.
Bei einer Leitschaufel nach einer dritten Ausführung, wie sie in Fig. 5
gezeigt ist, nimmt die Krümmung einer mit durchgehender Linie gezeigten
Wölbungsaußenseite in angenähert dem gesamten Bereich einen positiven
Wert ein, nimmt jedoch nur in einem Bereich R3 von 58% bis 65%
der Sehnenlänge C einen negativen Wert ein. Daher ist die Form der
Wölbungsaußenseite im Bereich R3 konvex nach unten gekrümmt.
Andererseits nimmt die Krümmung einer mit unterbrochener Linie gezeig
ten Wölbungsinnenseite in den Bereichen R2, R3 und R4 von von 11%
bis 88% der Sehnenlänge C einen positiven Wert ein, nimmt jedoch in
einem Bereich R1 von 0% bis 11% der Sehnenlänge C, sowie in einem
Bereich R5 von 88% bis 100% der Sehnenlänge C einen geativen Wert
ein. Daher ist die Form der Wölbungsinnenseite in den mittleren Berei
chen R2 bis R4 konvex nach oben gekrümmt, ist jedoch im Bereich R1 an
der Seite des Vorderrands und im Bereich R5 an der Seite des Hinter
rands konvex nach unten gekrümmt.
Die Krümmung der Wölbungsaußenseite nimmt vom Vorderrand zum
Hinterrand zu und erreicht einen Maximalwert nahe 32% der Sehnen
länge C; nimmt dann ab und erreicht einen Minimalwert nahe 62% der
Sehnenlänge C; nimmt dann zu und erreicht einen Maximalwert nahe 90
% der Sehnenlänge; und nimmt dann ab. Die Krümmung der Wölbungs
innenseite nimmt vom Vorderrand zum Hinterrand zu und erreicht einen
Maximalwert nahe 28% der Sehnenlänge C; nimmt dann ab und erreicht
einen Minimalwert nahe 56% der Sehnenlänge C; nimmt dann zu und
erreicht einen Maximalwert nahe 75% der Sehnenlänge C; und nimmt
dann ab.
Bei der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel bildet ein Abschnitt, der im
Bereich R1 an der Seite des Vorderrands konvex nach unten gekrümmt
ist, einen ersten Wulst, und ein Abschnitt, der im Bereich R5 an der Seite
des Hinterrands konvex nach unten gekrümmt ist, bildet einen zweiten
Wulst.
Wie in den Fig. 6B und 7 gezeigt (siehe Doppelpunktstrichlinie),
nimmt ein Abstand zwischen der Wölbungsinnenseite und der Wölbungsaußenseite
der Leitschaufel vom Vorderrand zum Hinterrand zu und
erreicht einen Maximalwert an einem Punkt c nahe 70% der Sehnen
länge C; nimmt dann ab und erreicht einen Minimalwert an einem Punkt
c' nahe 93% der Sehnenlänge C; und nimmt dann wiederum zu.
Fig. 11 zeigt ein Vergleichsbeispiel einer Leitschaufel. Die Krümmung
der Wölbungsinnenseite des Schaufelprofils nimmt im wesentlichen über
die gesamte Sehnenlänge C einen positiven Wert ein, ausschließlich an
den äußersten Abschnitten der Vorder- und Hinterränder, und die Krüm
mung der Wölbungsaußenseite nimmt über die gesamte Sehnenlänge C
einen positiven Wert ein. Daher ist die Wölbungsinnenseite nicht mit
ersten und zweiten Wulsten versehen, ähnlich wie in den ersten bis
dritten Ausführungen. Wie in den Fig. 12B und 7 gezeigt (siehe
unterbrochene Linie) nimmt der Abstand zwischen den Wölbungsinnen
seiten und den Wölbungsaußenseiten in der Leitschaufelkaskade des
Vergleichsbeispiels monoton vom Vorderrand zum Hinterrand zu,
während die Zunahmerate abnimmt, ohne Maximum- und Minimumwert.
Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Machzahl und dem Druckver
lustkoeffizienten am Einlaß der Leitschaufelkaskade der ersten bis dritten
Ausführungen und des Vergleichsbeispiels. Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist
bei einer Machzahl gleich 0,87 am Einlaß der Leitschaufelkaskade, die ein
Konstruktionspunkt ist, der Druckverlustkoeffizient bei jeder der ersten
bis dritten Ausführungen etwa 0,05 kleiner als beim Vergleichsbeispiel.
Der oben beschriebene Effekt der ersten bis dritten Ausführungen wird
hauptsächlich durch den ersten Wulst erreicht, der an der Wölbungs
innenseite der Leitschaufel nahe dem Vorderrand vorgesehen ist, sowie
durch den zweiten Wulst, der an der Wölbungsinnenseite nahe dem
Hinterrand vorgesehen ist. Daher ist es möglich, das Entstehen einer
Stoßwelle an der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel zu hemmen, um
den Wellenwiderstand zu reduzieren, indem eine Grenzschicht an der
Rückseite des ersten Wulsts, der an der Wölbungsinnenseite der Leit
schaufel nahe dem Vorderrand vorgesehen ist, unstabil gemacht wird,
um die Ablösung der Grenzschicht zu fördern. Wenn die Grenzschicht
durch den ersten Wulst an der Wölbungsinnenseite abgelöst wird, nimmt
der Reibungswiderstand zu, wobei jedoch die Zunahme des Reibungs
widerstands im Vergleich zur Abnahme des Wellenwiderstands viel
geringer ist. Dies kann stark zur Minderung des Gesamtwiderstands
beitragen.
Ferner wird die Grenzschicht, die durch den ersten Wulst am Vorderrand
der Wölbungsinnenseite unstabil gemacht worden ist, erneut beschleu
nigt und durch den zweiten Wulst am Hinterrand der Wölbungsinnenseite
wieder stabilisiert, wodurch die Ablösungsneigung der Grenzschicht
unterbunden wird. Daher kann eine Zunahme des Reibungswiderstands
durch Grenzschichtablösung an der Wölbungsinnenseite auf das Mini
mum gesenkt werden, und ferner kann der Widerstand reduziert werden.
Die Fig. 9 und 10 zeigen visualisierte Verhalten der Strömung um die
Leitschaufeln nach der ersten Ausführung bzw. dem Vergleichsbeispiel
herum. In der in Fig. 9 gezeigten ersten Ausführung ist der Druckabfall
an einem hinteren Abschnitt einer Druckwelle in einem Abschnitt, der
strichpunktiert gezeigt ist, gering im Vergleich zu dem im Vergleichs
beispiel von Fig. 10, was eine Abnahme des Wellenwiderstands bestä
tigt.
Der Effekt jeweils der ersten bis dritten Ausführung wird nun unter dem
Gesichtspunkt einer Leitschaufelkaskade beschrieben.
Der Abstand zwischen der Wölbungsinnenseite und der Wölbungsaußen
seite in der Leitschaufelkaskade nimmt vom Vorderrand zum Hinterrand
zu und erreicht den Maximalwert; nimmt dann ab und erreicht den
Minimalwert; und nimmt dann wiederum zu, wie oben beschrieben. In
dem die Grenzschicht an der Wölbungsinnenseite in dem Abschnitt
unstabil gemacht wird, wo der Abstand den Maximalwert einnimmt, um
die Ablösung zu begünstigen, kann daher das Entstehen einer Stoßwelle
an der der Grenzschicht gegenüberliegenden Wölbungsaußenseite unter
bunden werden, um den Wellenwiderstand zu reduzieren. Der Reibungs
widerstand wird durch die Grenzschichtablösung an der Wölbungsinnen
seite erhöht, wobei jedoch die Zunahme des Reibungswiderstands im
Vergleich zur Abnahme des Wellenwiderstands sehr viel geringer ist.
Daher wird der Gesamtwiderstand deutlich reduziert.
Da ferner der Abstand nach Erreichen des Maximalwerts auf das Mini
mum abnimmt, und dann erneut zunimmt, wird die Strömung an der
Wölbungsinnenseite durch Strömungsdrosselung an der Stelle, die dem
Minimalwert entspricht, beschleunigt, wodurch die Grenzschicht stabili
siert wird und daher eine Ablösungsneigung verhindert wird. Im Ergebnis
wird die Zunahme des Reibungswiderstands durch Grenzschichtablösung
an der Wölbungsinnenseite unterbunden, wodurch der Widerstand der
gesamten Leitschaufel weiter reduziert werden kann.
In der ersten Ausführung kann die Position Xa des Vorderendes des
zweiten Wulsts bei 80% der Sehnenlänge C liegen, und bei 65% der
Sehnenlänge C in der zweiten Ausführung und bei 88% der Sehnenlänge
C in der dritten Ausführung. Sie kann jedoch auch bei jeder Stelle im
Bereich von 60% bis 90% liegen, und auch in diesem Fall läßt sich ein
ausreichender Effekt erzielen. Die Position Xb des Hinterendes des ersten
Wulsts kann in der ersten Ausführung bei 15% der Sehnenlänge C
liegen, bei 24% der Sehnenlänge C in der zweiten Ausführung und bei
11% der Sehnenlänge in der dritten Ausführung. Sie kann jedoch bei
jeder Stelle im Bereich von 5% bis 40% liegen, und auch in diesem Fall
läßt sich ein ausreichender Effekt erzielen.
Die Dichte (das Verhältnis der Sehnenlänge C zum Abstand zwischen
benachbarten Leitschaufeln) beträgt in den ersten bis dritten Ausführun
gen 2,0, kann jedoch auch im Bereich von 1,5 bis 3,0 liegen und auch in
diesem Fall läßt sich ein ausreichender Effekt erzielen.
Es wird eine Leitschaufel für einen Axialverdichter angegeben, bei dem
der Wellenwiderstand durch die Erzeugung einer Stoßwelle im Überschall
bereich minimiert werden kann. Zu diesem Zweck besitzt die Leitschaufel
in dem Axialverdichter eine einen Überdruck erzeugende Wölbungs
innenseite und eine einen Unterdruck erzeugende Wölbungsaußenseite.
Sowohl die Wölbungsinnenseite als auch die Wölbungsaußenseite liegen
auf einer Seite einer Sehnenlinie. An der Wölbungsinnenseite der Leit
schaufel im Bereich ihres Vorderrands ist ein erster Wulst und im Bereich
ihres Hinterrands ist ein zweiter Wulst ausgebildet. Die Erzeugung einer
Stoßwelle an der Wölbungsaußenseite kann gedämpft werden, um den
Wellenwiderstand zu reduzieren, indem eine Grenzschichtablösung an der
Wölbungsinnenseite durch den ersten Wulst aktiv gefördert wird.
Zusätzlich kann die Grenzschicht, die durch den ersten Wulst an der
Wölbungsinnenseite unstabil gemacht wird, an dem zweiten Wulst an der
Wölbungsinnenseite wieder stabilisiert werden, und daher kann eine
Zunahme des Reibungswiderstands durch die Grenzschichtablösung an
der Wölbungsinnenseite minimiert werden.
Claims (5)
1. Leitschaufel für einen Axialverdichter, mit einer einen Überdruck
erzeugenden konkaven Wölbungsinnenseite und einer einen Unterdruck
erzeugenden konvexen Wölbungsaußenseite, wobei die Leitschaufel in
einer ringförmigen Fluidpassage anzuordnen ist, wobei sowohl die
Wölbungsinnenseite als auch die Wölbungsaußenseite an einer Seite
einer Sehnenlinie liegen,
wobei die Leitschaufel - in Bezug auf die Strömungsrichtung - einen Vorderrand und einen Hinterrand aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitschaufel an der Wölbungsinnenseite seitens des Vor derrands einen ersten Wulst und seitens des Hinterrands einen zweiten Wulst aufweist, wobei der erste und der zweite Wulst konvexe Endabschnitte der Wölbungsinnenseite bilden.
wobei die Leitschaufel - in Bezug auf die Strömungsrichtung - einen Vorderrand und einen Hinterrand aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitschaufel an der Wölbungsinnenseite seitens des Vor derrands einen ersten Wulst und seitens des Hinterrands einen zweiten Wulst aufweist, wobei der erste und der zweite Wulst konvexe Endabschnitte der Wölbungsinnenseite bilden.
2. Leitschaufel für einen Axialverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand Xa vom Vorderrand zum Vorderende des zweiten
Wulsts, bezogen auf die Sehnenlänge C, im Bereich von 0,60 < Xa/C
< 0,90 liegt.
3. Leitschaufel für einen Axialverdichter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand Xb vom Vorderrand zum Hinterende des ersten
Wulsts, bezogen auf die Sehnenlänge C, im Bereich von 0,05 < Xb/C
< 0,40 liegt.
4. Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter, umfassend eine große
Anzahl von Leitschaufeln, die in einer ringförmigen Fluidpassage
anzuordnen sind, wobei jede Leitschaufel eine einen Überdruck
erzeugende konkave Wölbungsinnenseite und eine einen Unterdruck
erzeugende konvexe Wölbungsaußenseite aufweist, wobei die
Leitschaufel - in Bezug auf die Strömungsrichtung - einen Vorderrand
und einen Hinterrand aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Verteilung von zur Wölbungsaußenseite senkrechten
Abständen zwischen der Wölbungsaußenseite und der
Wölbungsinnenseite zweier benachbarter Leitschaufeln in
Sehnenrichtung vom Vorderrand zum Hinterrand zunimmt und einen
Maximalwert erreicht; dann abnimmt und einen Minimalwert erreicht;
und dann wiederum zunimmt.
5. Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis der Sehnenlänge der Leitschaufel zum Abstand
zwischen benachbarten Leitschaufeln im Bereich von 1,5 bis 3,0 liegt.
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