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Die Erfindung betrifft das Profil eines Flügels für einen Axialströmungskompressor, worin eine Überdruck erzeugende Druckfläche und eine Unterdruck erzeugende Saugfläche beide an einer Seite der Sehnenlinie angeordnet sind.
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Die vom vorliegenden Anmelder eingereichte
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-165095 offenbart das Profil eines Statorflügels für einen solchen Axialströmungskompressor. Wie in
6 gezeigt, hat das in
3 der japanischen Patentschrift 2001-165095 offenbarte Flügelprofil (nachfolgend als Vergleichsbeispiel bezeichnet), auf der Druckfläche (PS), welche Überdruck erzeugt, hat einen ersten Wölbungsabschnitt (CV1) nahe der Vorderkante (LE) und einen zweiten Wölbungsabschnitt (CV2) an der Hinterkante (TE). Es wird eine Trennung in der Grenzschicht an der Druckfläche (PS) durch den ersten Wölbungsabschnitt (CV1) erzeugt, um hierdurch die Erzeugung von Stoßwellen an der Saugfläche (SS) zu schwächen, um den Wellenwiderstand zu verringern. Ferner wird die durch den ersten Wölbungsabschnitt (CV1) destabilisierte Grenzschicht durch den zweiten Wölbungsabschnitt (CV2) wieder stabilisiert, wodurch es möglich gemacht wird, die Erhöhung des Reibungswiderstands, der durch die Grenzschichttrennung an der Druckfläche (PS) hervorgerufen wird, zu minimieren.
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In einem Axialströmungskompressor sind eine Mehrzahl von Statorflügeln radial angeordnet, so dass sie sich von der Mittelnabe auswärts in radialer Richtung, d. h. in Richtung der Spannweite, erstrecken. Da die Druckfläche (PS) und die Saugfläche (SS) von zwei benachbarten Flügeln einander mit nur einem kleinem Abstand dazwischen gegenüber liegen, wird eine Sekundärströmung erzeugt, die entlang der Nabenwand von der Druckfläche (PS) vom einen Statorflügel zur benachbarten Saugfläche (SS) fließt. Diese Sekundärströmung erhöht den Druckverlust der Statorflügel. 8 zeigt den Oberflächenströmungsweg des Arbeitsfluids an der Saugflächenseite des Flügels vom Vergleichsbeispiel, woraus ersichtlich ist, dass eine starke Sekundärströmung, die in der Spannweitenrichtung auswärts gerichtet ist, vom Nabenbereich aus erzeugt wird.
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Obwohl zusätzlich zu der zuvor beschriebenen Sekundärströmung im Nabenbereich auch im Spitzenbereich eine kleine Sekundärströmung erzeugt wird, die in der Spannweitenrichtung einwärts ausgerichtet ist, versteht es sich, dass die Sekundärströmung an der Spitze nur einen kleinen Einfluss auf den Druckverlust der Statorflügel hat, da die Sekundärströmung an der Spitze wesentlich kleiner ist als die Sekundärströmung an der Nabe.
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Um die oben beschriebene starke Sekundärströmung, die in der Spannweitenrichtung auswärts gerichtet ist und im Nabenbereich erzeugt wird, zu unterdrücken, ist es lediglich erforderlich, die Sekundärströmung zu blockieren, indem man den statischen Druck der Saugfläche im Mittelabschnitt der Flügelspannweite örtlich erhöht. In anderen Worten, da die Druckfläche und die Saugfläche von zwei umfangsmäßig benachbarten Statorflügeln aufeinander zuweisen, nur getrennt durch einen kleinen Abstand, ist es lediglich erforderlich, den statischen Druck an der Druckfläche, die zur Saugfläche weist, örtlich zu verringern, um den statischen Druck an der Saugfläche örtlich zu erhöhen. Wenn nämlich die Strömungsrate des Fluids, das durch den Zwischenflügeldurchgang zwischen der Druckfläche und der Saugfläche fließt, eine konstante Querschnittsfläche hat, resultiert eine Abnahme des statischen Drucks zusammen mit einer Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit an der Druckflächenseite in einer Zunahme des statischen Drucks an der Saugfläche, einhergehend mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit. Da Statorflügel unter Bildung einer Kaskade in der axialen Richtung abgelenkt angeordnet sind, ist ein hinterer Abschnitt der Druckfläche von zwei benachbarten Statorflügeln normal zu einem Mittelabschnitt der Saugfläche (SS) des benachbarten Flügels angeordnet, mit nur einem kleinen Trennabstand dazwischen. Aus diesem Grund beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit am hinteren Abschnitt der Druckfläche die Strömungsgeschwindigkeit am Mittelsehnenabschnitt der Saugfläche stark.
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Wie in 7 gezeigt, hat das Profil des Vergleichsbeispiels derart, dass der zweite Wölbungsabschnitt (CV2), der nahe der Hinterkante (TE) der Druckfläche (PS) angeordnet ist, eine Krümmung von 0,2 und ist somit nahezu flach. Im Ergebnis bleibt die Strömungsgeschwindigkeit entlang dem zweiten Wölbungsabschnitt (CV2) nahezu konstant, so dass der statische Druck nicht signifikant abnimmt, und daher der statische Druck an der Saugfläche, die zum zweiten Wölbungsabschnitt (CV2) weist, nicht signifikant erhöht wird. Im Ergebnis ist es schwierig, in die Sekundärströmung an der Saugfläche (SS) effizient zu unterdrücken, um den Druckverlust des Flügels zu reduzieren.
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Übrigens sind die quantitativen Krümmungsdaten, die in der vorliegenden Beschreibung angegeben sind, C/R, erhalten durch Nichtdimensionierung des Krümmungsradius R zur Sehnenlänge des Flügels C.
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Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die oben beschriebenen Überlegungen gemacht worden, und Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Druckverlust eines Flügels für einen Axialströmungskompressor zu reduzieren, indem die Sekundärströmung an dessen Saugfläche unterdrückt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Flügelprofi für einen Axialströmungskompressor angegeben, worin eine Druckfläche (PS) einen Überdruck erzeugt und eine Saugfläche (SS) einen Unterdruck erzeugt und beide an der gleichen Seite einer Sehnenlinie angeordnet sind, wobei ein Mittelabschnitt der Druckfläche (PS) in Spannweitenrichtung einen Wölbungsabschnitt enthält, der zwischen 70% und 95% Sehne eine maximale Krümmung von 1,5 oder mehr hat.
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Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration sind, in dem Flügelprofil für einen Axialströmungskompressor, die Druckfläche (PS), die Überdruck erzeugt, und die Saugfläche (SS), die Unterdruck erzeugt, beide an der gleichen Seite der Sehnenlinie angeordnet. Ein mittlerer Abschnitt der Druckfläche (PS) in der Spannweitenrichtung enthält den Wölbungsabschnitt, der zwischen 70% und 95% Sehnenposition die maximale Krümmung von 1,5 oder mehr hat. Das Flügelprofil erhöht die Strömungsgeschwindigkeit um den Wölbungsabschnitt der Druckfläche (PS) herum, um den statischen Druck örtlich zu verringern, um hierdurch eine Abnahme in der Strömungsgeschwindigkeit an der Saugfläche (SS) zu bewirken, welche zur Druckfläche (PS) weist, um deren statischen Druck örtlich zu erhöhen. Im Ergebnis wird Sekundärströmung, die vom Nabenbereich der Druckfläche (PS) mit Überdruck zur Saugfläche (SS) mit Unterdruck fließen würde, unterdrückt, da der statische Druck auf dem mittleren Abschnitt in der Spannweitenrichtung der Saugfläche (SS) örtlich erhöht wird, was den Druckgradient unterbricht, und daher der durch die Sekundärströmung verursachte Druckverlust reduziert werden kann.
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Gemäß der in Anspruch 2 beschriebenen Erfindung, zusätzlich zur Konfiguration gemäß Anspruch 1, wird das Profil für einen Flügel eines Axialströmungskompressors ausgegeben, worin der mittlere Abschnitt in der Spannweitenrichtung zwischen einer Spannweitenposition von 40% bis 60% angeordnet ist.
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Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration wird das Flügelprofil, das den Wölbungsabschnitt an der Druckfläche (PS) mit der maximalen Krümmung von 1,5 oder mehr zwischen 70% und 95% Sehnenposition enthält, in dem Bereich mit einer Spannweite zwischen 40% und 60% des Flügels angewendet. Dementsprechend kann der Druckverlust signifikant reduziert werden, indem die Sekundärströmung, die an der Saugfläche (SS) radial auswärts gerichtet ist, effizient unterdrückt wird.
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Die obigen und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung einer bevorzugten Ausführung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben wird, näher ersichtlich.
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Nachfolgend wird eine Ausführung der Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 bis 5 zeigen eine Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 ist ein Diagramm, das das Flügelprofil eines Statorflügels für einen Axialströmungskompressor zeigt.
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2 ist ein Diagramm, das die Krümmungsverteilungdruckfläche (PS) und Saugflächen (SS) des Flügelprofils zeigt.
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3 ist ein Diagramm, das das Oberflächenströmungsmusters an der Saugfläche (SS) des Statorflügels zeigt.
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4 ist ein Diagramm, das Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen an der Druckfläche (PS) und der Saugfläche (SS) des Flügelprofils zeigt.
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5 ist ein Graph, der die Druckverlustminderung durch die Ausführung zeigt.
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6 bis 9 beziehen sich auf das Vergleichsbeispiel.
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6 ist ein Diagramm, das ein Flügelprofil für einen Stator in einem Axialströmungskompressor zeigt.
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7 ist ein Diagramm, das Krümmungsverteilungen der Druckfläche (PS) und der Saugfläche (SS) des Flügelprofils zeigt.
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8 ist ein Diagramm, das die Öberflächenströmung an der Saugfläche (SS) des Statorflügels zeigt.
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9 ist ein Diagramm, das die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung an der Druckfläche (PS) und der Saugfläche (SS) des Flügelprofils zeigt.
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Das Flügelprofil der Ausführung wird zwischen einer 40% und 60% Spannweitenposition eines Statorflügels eines Axialströmungskompressors verwendet. 1 zeigt das Flügelprofil an der 50% Spannweitenposition, und 2 zeigt die Krümmungsverteilung für die Druckfläche (PS) und die Saugfläche (SS) des Flügelprofils. Beim Flügelprofil der Ausführung befinden sich die Saugfläche (SS) und die Druckfläche (PS) an einer Seite einer Sehnenlinie. Die Krümmung der Saugfläche (SS) ist überwiegend konstant, angenähert 1,0 von der Vorderkante (LE) zur angenähert 75% Sehnenposition, und nimmt dann, von etwa 75% Sehnenposition zur Hinterkante (TE), allmählich auf angenähert 2,0 zu. Die Krümmung der Druckfläche (PS) nimmt von der Vorderkante (LE) zu einem Punkt in der Nähe der 50% Sehnenposition von angenähert –1,0 bis angenähert –2,0 allmählich ab, und nimmt dann allmählich zu, um den Maximalwert von 1,5 bei 75% Sehnenposition zu erreichen, und nimmt danach, zur Hinterkante (TE) hin, allmählich auf angenähert 1,0 ab. Das Merkmal des Flügelprofils der Ausführung ist, dass das Flügelprofil ein Wölbungsabschnitt (CV) enthält, der im hinteren Abschnitt der Druckfläche (PS) eine maximale Krümmung von 1,0 hat.
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4 zeigt Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen an der Saugfläche (SS) und der Druckfläche (PS) des Flügelprofils der Ausführung. Die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung an der Saugfläche (SS) nimmt von der Vorderkante (LE) zur Hinterkante (TE) allmählich ab, während die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung an der Druckfläche (PS) von der Vorderkante (LE) allmählich abnimmt, so dass sie nahe der 50% Sehnenposition ein Minimum hat, und nimmt dann, nahe der 88% Sehnenposition, allmählich auf einen Maximalwert zu, und nimmt dann zur Hinterkante (TE) hin allmählich ab. Der Maximalwert der Strömungsgeschwindigkeit nahe der 88% Sehnenposition ist das Ergebnis des Wölbungsabschnitts (CV) an der Druckseite (PS). Zwischen 75% Sehne und 100% Sehne, d. h. der Hinterkante (TE), überschreitet die Strömungsgeschwindigkeit an der Druckfläche (PS) jene der Saugfläche (SS).
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6 und 7 zeigen ein Flügelprofil des Vergleichsbeispiels und Krümmungsverteilungen für die Druckfläche (PS) und die Saugfläche (SS) dieses Flügels. Das Flügelprofil des Vergleichsbeispiels enthält einen ersten Wölbungsabschnitt (CV1) und einen zweiten Wölbungsabschnitt (CV2) jeweils in einem vorderen Abschnitt und einem hinteren Abschnitt der Druckfläche (PS). Die maximale Krümmung des ersten Wölbungsabschnitts (CV1) beträgt angenähert 1,0, während die maximale Krümmung des Wölbungsabschnitts (CV2) angenähert 0,2 beträgt, was sehr klein ist.
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9 zeigt Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen an der Saugfläche (SS) und der Druckfläche (PS) des Flügels vom Vergleichsbeispiel. Die Strömungsgeschwindigkeit ist hinter der 75% Sehnenposition angenähert konstant, entsprechend dem zweiten Wölbungsabschnitt (CV) in der Druckfläche (PS). Dies ist so, weil der zweite Wölbungsabschnitt (CV2) eine maximale Krümmung von angenähert 0,2 hat und somit nahezu flach ist.
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Die 3 und 8 zeigen die Oberflächenströmung an der Saugfläche (SS) des Flügels der Ausführung und des Flügels vom Vergleichsbeispiel. Ersichtlich ist, dass die Fläche der Sekundärströmung vom Nabenbereich (Flügelwurzel) zur Spitze (Flügelrand) an der Saugfläche (SS) im in 8 gezeigten Vergleichsbeispiel groß ist, während in der in 3 gezeigten Ausführung die Fläche der Sekundärströmung signifikant verringert ist.
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Dies ist so, weil sich die Strömungen um benachbarte Statorflügel herum, die in der Umfangsrichtung Seite an Seite angeordnet sind, miteinander Wechselwirken. Da die Strömungsrate des Fluidflusses zwischen den Flügeln konstant ist, verringert eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit an der Druckfläche (PS) aufgrund des Einflusses des Wölbungsabschnitts (CV) die Strömungsgeschwindigkeit an der Saugfläche (SS), die der Druckfläche (PS) gegenüberliegt, was den statischen Druck an der Saugfläche (SS) erhöht. Das Flügelprofil der Ausführung wird zwischen 40% und 60% Spannweitenposition am Statorflügel angewendet. Aus diesem Grund blockiert eine Erhöhung des statischen Drucks an der Saugfläche (SS) im mittleren Spannweitenabschnitt die Sekundärströmung von der gegenüberliegenden Druckfläche (PS) zur Saugfläche (SS), was in einer Volumenabnahme der Sekundärströmung resultiert.
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Im Gegensatz hierzu hat das Flügelprofil des Vergleichsbeispiels an dem zweiten Wölbungsabschnitt (CV2) an der Saugfläche (PS) nur eine geringe Krümmung, was keine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit verursacht und somit keine Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit an der gegenüberliegenden Saugfläche (SS) verursacht. Aus diesem Grund ist keine statische Druckzunahme an der Saugfläche (SS) zu erwarten. Daher kann die an der Saugfläche (SS) erzeugte Sekundärströmung durch eine Erhöhung des statischen Drucks nicht verringert werden, und im Ergebnis nimmt das Volumen der Sekundärströmung zu.
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5 zeigt Druckverlustverteilungen in der Spannweitenrichtung des Flügelprofils der Ausführung und des Vergleichsbeispiels. Der Flügel der Ausführung zeigt einen höheren Druckverlust in dem Nabenbereich (in diesem Fall von 0% bis 12% Spannweitenposition), und einem Teil des Spitzenbereichs (von 88% bis 100% Spannweitenposition) als Flügel des Vergleichsbeispiels, aber zeigt einen geringeren Druckverlust in dem anderen großen Bereich (zwischen 12% und 88% Spannweitenposition) als der Flügel des Vergleichsbeispiels. Insgesamt erreicht das Flügelprofil der Ausführung eine starke Minderung des Druckverlusts.
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Obwohl insoweit eine Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, können zahlreiche konstruktive Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Obwohl zum Beispiel die maximale Krümmung des Wölbungsabschnitts (CV) der Ausführung 1,5 beträgt, kann die maximale Krümmung einen beliebigen Wert von 1,5 oder mehr einnehmen.
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Darüber hinaus ist die Position der maximalen Krümmung nicht auf 75% Sehnenposition der Ausführung beschränkt und kann eine beliebige Position zwischen 70% Sehnenposition und 95% Sehnenposition einnehmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckverlust in einem Axialströmungskompressor zu reduzieren, indem die Sekundärströmung an der Saugfläche (SS) unterdrückt wird. Um dies zu erreichen, wird ein Flügel für einen Axialströmungskompressor angegeben, worin eine Druckfläche (PS) Überdruck erzeugt und eine Saugfläche (SS) Unterdruck erzeugt, und beide an einer Seite der Sehnenlinie angeordnet sind. Ferner enthält die Druckfläche einen Wölbungsabchnitt (CV), die im Mittelabschnitt der Flügelspannweite, zwischen einer Sehnenposition von 75% und 95%, eine maximale Krümmung von 1,5 oder mehr aufweist. Diese Konfiguration erhöht die Strömungsgeschwindigkeit um den Wölbungsabschnitt (CV) der Druckfläche herum, um den statischen Druck örtlich zu verringern. Durch die Strömungskontinuität nimmt die Strömungsgeschwindigkeit an der Saugfläche, die der Druckfläche gegenüberliegt, ab, und daher wird der statische Druck an der Saugfläche örtlich erhöht. Im Ergebnis wird die Sekundärströmung, die vom Nabenbereich aus von der Druckfläche mit Überdruck zur Saugfläche mit Unterdruck fließen würde, in Folge des örtlich erhöhten statischen Drucks an der Saugfläche unterdrückt. Daher kann der Druckverlust, der durch die Sekundärströmung verursacht würde, reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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