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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichtungsgitter für einen Axialverdichter mit einem Kranz von Schaufeln, die jeweils eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen, und mit einer die Axialrichtung vorgebende Verdichterachse, wobei die Schaufeln doppelreihig angeordnet sind.
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Bei der Auslegung von leistungsstarken und effizienten Axialverdichtern, speziell für Flugtriebwerke, ist bekannt, doppelreihige Schaufelanordnungen, sogenannte Tandemschaufeln, vorzusehen. Diese bieten die Möglichkeit, bei transsonischen Strömungen, beispielsweise in einer transsonischen Frontstufe eines Verdichters, eine maximale Umlenkung mit höchster aerodynamischer Belastung zu erreichen, wodurch eine verbesserte Abstimmung zu einer nachfolgenden Verdichterstufe erreicht werden kann. Dabei sind sehr hohe Umlenkungen mit verhältnismäßig geringem Verlust realisierbar, ohne dass es zu Strömungsablösungen in der Schaufelreihe kommt.
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Aus
EP 2 626 515 A1 ,
EP 2 409 002 B1 ,
WO 2010/105 597 A2 ,
US 3 442 441 A und
DE 27 48 597 A1 ist jeweils ein Kranz von Schaufeln bekannt, bei der die doppelreihige Schaufelanordnung vordere Schaufeln und hintere Schaufeln aufweisen. Die jeweils hintere Schaufel ist in Axialrichtung zu der vorderen Schaufel versetzt. Ferner ist die hintere Schaufel auf der Druckseite der vorderen Schaufel in Umfangsrichtung versetzt zu der vorderen Schaufel angeordnet. Zwischen der vorderen und hinteren Schaufel ist ein Überdeckungsbereich gebildet, wodurch zwischen den Schaufeln eine Düse entsteht.
DE 697 30 663 T2 offenbart eine doppelreihige Schaufelanordnung, bei der die Abströmkante der vorderen Schaufel und die Anströmkante der hinteren Kante in axialer Richtung beabstandet sind.
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Die entstehende Düsenströmung interagiert mit dem Nachlauf der ersten Schaufel und verursacht eine Beschleunigung der Strömung im vorderen saugseitigen Bereich der zweiten Schaufel. Durch diese Mechanismen kann ein Großteil der Strömungsumlenkung realisiert werden.
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Bei der Auslegung eines derartigen Verdichters ist aufgrund der doppelreihigen Schaufelanordnung eine Vielzahl von Designparametern veränderbar, so dass bei der Optimierung eines derartigen Verdichtungsgitters ein enorm hoher Aufwand notwendig ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verdichtungsgitter für einen Axialverdichter mit einer doppelreihigen Schaufelanordnung zu schaffen, der eine verbesserte Umlenkung bzw. Druckumsetzung und verringerte aerodynamische Verluste aufweist. Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Axialverdichter zu schaffen, der als Grunddesign für weitere Anpassungen genutzt werden kann.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verdichtungsgitter weist einen Kranz von Schaufeln auf, die jeweils eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen. Der Axialverdichter besitzt eine Verdichterachse, die eine Axialrichtung vorgibt. Die Schaufeln sind doppelreihig angeordnet und bilden vordere Schaufeln und hintere Schaufeln. Jeweils eine hintere Schaufel ist in Axialrichtung zu der vorderen Schaufel versetzt angeordnet. Ferner ist die hintere Schaufel auf der Druckseite der vorderen Schaufel in Umfangsrichtung versetzt zu der vorderen Schaufel angeordnet. Zwischen der vorderen und der hinteren Schaufel ist ein Überdeckungsbereich gebildet. Die Schaufeln sind mit einer Teilung t an dem Kranz angeordnet, die den Abstand der Abströmkanten benachbarter hinterer Schaufeln in Umfangsrichtung angibt.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis der Überdeckungslänge Δx in Axialrichtung zu der Gesamtlänge lx der vorderen und hinteren Schaufeln gilt: 0 ≤ Δx/lx ≤ 0,05.
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Die Gesamtlänge lx gibt dabei die Erstreckung von der Anströmkante der vorderen Schaufel zu der Abströmkante der hinteren Schaufel in Axialrichtung an.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Ausbildung des Überdeckungsbereiches die durch den Überdeckungsbereich ausgebildete Düse in vorteilhafter Weise ausbildet, so dass die in dem Überdeckungsbereich gebildete Düsenströmung besonders vorteilhaft mit dem Nachlauf der ersten Schaufel interagiert und somit die Strömung im vorderen saugseitigen Bereich der zweiten Schaufel beschleunigt wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für das Verhältnis des Abstandes θ der Abströmkante der vorderen Schaufel von der Anströmkante der hinteren Schaufel in Umfangsrichtung zu der Teilung t gilt: 0,1 ≤ θ/t ≤ 0,35.
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Es hat sich ferner herausgestellt, dass beispielsweise bei einer Zuströmmachzahl von Ma = 0,9 eine Ausgestaltung des Überdeckungsbereiches gemäß den erfindungsgemäßen Verhaltnissen zwischen Überdeckungslänge Δx und Gesamtlänge lx bzw. zwischen dem Abstand θ und der Teilung t stets die effizientesten Schaufelanordnungen vorliegen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Δx/lx = –0,03 und θ/t = 0,2 ist.
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Diese Erkenntnis ist ferner vorteilhaft bei der Auslegung von Axialverdichtern mit Verdichtungsgittern mit einer doppelreihigen Schaufelanordnung, da die erfindungsgemäßen Verhältnisse bzw. Verhältnisbereiche als vorgegeben angenommen werden können und somit der Auslegungsprozess vereinfacht werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für das Verhältnis der Sehnenlänge ls1 des Profils der vorderen Schaufel zu der Sehnenlänge ls2 des Profils der hinteren Schaufel gilt: 0,6 ≤ ls1/ls2 ≤ 0,8.
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Die Sehnenlänge ist dabei die Länge der die Anströmkante und Abströmkante einer Schaufel verbindenden Sehne.
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Es hat sich herausgestellt, dass neben der durch den Überdeckungsbereich bestimmten maximalen Umlenkung auch die maximale Belastung der Einzelschaufeln bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Axialverdichters einen wesentlichen Einfluss hat. Die Belastungsverteilung der Einzelschaufeln wird u. a. durch die Sehnenlänge einer Schaufel bestimmt, so dass durch das erfindungsgemäße Verhältnis der Sehnenlängen ls1 zu ls2 die Lastverteilung auf den beiden Schaufeln verbessert ist.
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Es ist ferner vorzugsweise vorgesehen, dass das Verhältnis des Abstandes ls1x der Anströmkante der vorderen Schaufel zu der Abströmkante der vorderen Schaufel in axiale Richtung zu dem Abstand ls2x der Anströmkante der hinteren Schaufel zu der Abströmkante der hinteren Schaufel in axialer Richtung gilt: 0,4 ≤ ls1x/ls2x ≤ 0,7.
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Der Abstand ls1x bzw. ls2x gibt somit die axiale Erstreckung der Sehnenlänge an. Bei einem Verdichtungsgitter, bei dem die vorderen und hinteren Schaufeln derart angeordnet sind, dass das Verhältnis des Abstandes ls1x zu dem Abstand ls2x in dem erfindungsgemäß vorgegebenen Bereich ist, wird die Lastverteilung auf die beiden Schaufeln weiter gegenüber Schaufeln mit einem anderen Verhältnis verbessert.
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Auch bezüglich der angegebenen Verhältnisse der Sehnenlänge ls1 zur Sehnenlänge ls2 bzw. das Abstellen des ls2x zum Abstand ls2x hat sich herausgestellt, dass diese Parameter bei einer Zuströmmachzahl von Ma = 0,9 und verschiedenen axialen Kontraktionsverhältnissen stets eine sehr effiziente Anordnung ist.
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Somit können auch diese Parameter als Vorgaben für eine Auslegung eines Verdichtungsgitters dienen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für das Verhältnis der Teilung t zu der gesamten Länge lx gilt: 0,51 ≤ t/lx ≤ 0,56.
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Mit einem erfindungsgemäßen Verdichtungsgitter wird eine verbesserte Schaufelbelastungsverteilung mit optimierter Umlenkung bei möglichst geringem Widerstand erreicht. Ferner werden durch die erfindungsgemäßen Verhältnisvorgaben einfache geometrische Verhältnisse vorgegeben, so dass ein Auslegungsprozess für ein Verdichtungsgitter je nach Anwendungsfall sich nur noch auf konkrete Profilformen der Schaufeln beziehen muss. Dadurch kann ein enormer Kosten- und Zeitaufwand eingespart werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für das Verhältnis der Sehnenlängen ls1 zu ls2 gilt: ls1/ls2 = 0,73.
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Ferner kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass für das Verhältnis der Abstände ls1x und ls2x gilt: ls1x/ls2x = 0,54.
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Für das sogenannte axiale Teilungsverhältnis t/lx gilt vorzugsweise: t/lx = 0,54.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass für das Verhältnis des Winkels βS1 zwischen der Sehne des Profils der vorderen Schaufel und der Umfangsrichtung zu dem Winkel βS2 zwischen der Sehne des Profils der hinteren Schaufel und der Umfangsrichtung gilt: 1,29 ≤ βS1/βS2 ≤ 1,31. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass gilt: βS1/βS2 = 1,29.
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Dieses sogenannte Stafflungswinkelverhältnis ermöglicht eine vorteilhafte Anpassung der Anordnung der Schaufeln am vorgegebenen Zuströmwinkel, so dass die Auslegung eines Verdichtungsgitters vereinfacht ist.
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Es ist ferner vorzugsweise vorgesehen, dass die Schaufeln ein transsonisches Profil aufweisen. Mit anderen Worten: Das Verdichtungsgitter ist im normalen Betrieb mit einer Zuströmung mit einer Machzahl zwischen 0,9 und 1,1 beaufschlagt. Die Schaufeln können auch ein supersonisches Profil aufweisen, d. h. dass die Zuströmung eine Machzahl größer 1,1 besitzt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verdichtungsgitter hat es sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäßen geometrischen Verhältnisse verbesserte Totaldruckverluste im Auslegungspunkt des Gitters, sowie auch in den Arbeitsbereichgrenzen, der sogenannten Sperrgrenze und der Abreißgrenze.
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Es kann somit ein aerodynamisch wesentlich verbessertes Verdichtungsgitter bereitgestellt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Axialverdichter mit einem erfindungsgemäßen Verdichtungsgitter.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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In der einzigen Figur ist das erfindungsgemäße Verdichtungsgitter 1 schematisch dargestellt.
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Das Verdichtungsgitter 1 weist einen Kranz von Schaufeln 10a, 10b auf. Die Schaufeln sind doppelreihig angeordnet, so dass vordere Schaufeln 10a und hintere Schaufeln 10b gebildet sind. Die Schaufeln weisen jeweils eine Druckseite 14 und eine Saugseite 15 auf. Ferner weist die vordere Schaufel 10a eine Anströmkante 12a und eine Abströmkante 13a auf und die hintere Schaufel 10b weist eine Anströmkante 12b und eine Abströmkante 13b auf.
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Die hintere Schaufel 10b ist in Axialrichtung versetzt zu der vorderen Schaufel 10a angeordnet. Die Axialrichtung wird durch die Verdichterachse 16 vorgegeben.
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Ferner ist die hintere Schaufel 10b auf der Druckseite 14 der vorderen Schaufel 10a und den Umfangsrichtung versetzt zu der vorderen Schaufel 10a angeordnet. Die Umfangsrichtung ist in der Figur durch einen Doppelpfeil angedeutet und verläuft orthogonal zu der durch die Verdichterachse 16 vorgegebenen Axialrichtung.
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Zwischen der vorderen und der hinteren Schaufel 10a, 10b ist ein Überdeckungsbereich 18 gebildet, so dass zwischen der Druckseite 14 der vorderen Schaufel 12a und der Saugseite 15 der hinteren Schaufel 12a in dem Überdeckungsbereich 18 eine Düse gebildet ist.
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In der Düse kann eine Düsenströmung entstehen, die mit der von der Abströmkante 13a der vorderen Schaufel 10a sich erstreckenden Nachlaufströmung interagieren kann. Es entsteht eine Beschleunigung der Strömung an der Saugseite 15 der zweiten Schaufel 10b. Dadurch kann eine vorteilhafte Strömungsumlenkung realisiert werden.
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Die Schaufeln weisen in Umfangsrichtung einen Abstand auf, der durch eine Teilung t vorgegeben ist. Die Teilung t beschreibt somit den Abstand der Abströmkanten 13b zweier benachbarter hinterer Schaufeln 10b.
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Die Anordnung der Schaufeln 10a, 10b an dem Kranz des Verdichtungsgitters 1 kann mit verschiedenen, einfachen geometrischen Parametern beschrieben werden.
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Die vordere Schaufel 10a weist ein Profil mit einer Sehne 20a auf, die sich von der Anströmkante 12a zur Abströmkante 13a der vorderen Schaufel 10a erstreckt. Die Sehnenlänge ls1 beschreibt die Länge der Sehne 20a.
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Entsprechend weist die hintere Schaufel 10b eine Sehne 20b auf, die sich von der Anströmkante 12b zu der Abströmkante 13b der hinteren Schaufel 10b erstreckt. Die Sehnenlänge ls2 beschreibt die Länge der Sehne 20b.
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Der Abstand ls1x beschreibt den Abstand der Anströmkante 12a der vorderen Schaufel 10a zu der Abströmkante 13a der vorderen Schaufel 10a in axialer Richtung. Der Abstand Is1x beschreibt somit die Erstreckung der Sehne 20a in axialer Richtung.
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Der Abstand Is2x beschreibt den Abstand der Anströmkante 12b der hinteren Schaufel 10b zu der Abströmkante 13b der hinteren Schaufel 10b in axialer Richtung. Der Abstand ls2x beschreibt somit auch die Erstreckung der Sehne 20b in axialer Richtung.
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Die Erstreckung des Überdeckungsbereichs 18 in axialer Richtung wird durch die Überdeckungslänge Δx angegeben. Die Überdeckungslänge Δx gibt somit den Abstand in axialer Richtung zwischen der Anströmkante 12b der hinteren Schaufel 10b und der Abströmkante 13a der vorderen Schaufel 10a an, wobei sich die Schaufeln überlappen.
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Die Ausgestaltung des Überdeckungsbereichs 18 in Umfangsrichtung wird durch den Abstand θ beschrieben, der den Abstand der Abströmkante 13a der vorderen Schaufel 10a und der Anströmkante 12b der hinteren Schaufel 10b in Umfangsrichtung beschreibt.
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Ferner beschreibt der Winkel βS1 die Lage der Sehne 20a der vorderen Schaufel 10a zu der Umfangsrichtung. Mit anderen Worten: Der Winkel βS1 gibt an, in welchem Winkel die Schaufel 10a angeordnet ist und somit, wie diese zu der Strömung angestellt ist.
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Der Winkel βS2 gibt an, in welchem Winkel die Sehne 20b der hinteren Schaufel 10b zu der Umfangsrichtung verläuft.
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Es hat sich herausgestellt, dass verschiedene geometrische Verhältnisse bei einer transsonischen Strömung, beispielsweise bei einer Zuströmung von Ma = 0,9, eine verbesserte Umlenkung bei verringerten aerodynamischen Verlusten erreicht werden kann. Dafür muss für die Überdeckungslänge Δx und die Gesamtlänge lx gelten: Δx/lx = –0,03. Ferner gilt für das Verhältnis des Abstandes θ zu der Teilung t: θ/t = 0,2.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine Ausgestaltung des Überdeckungsbereiches 18 mit diesen geometrischen Verhältnissen eine sehr effiziente Schaufelanordnung darstellt.
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Somit ist der Überdeckungsbereich 18, der einen zentralen Wirkmechanismus der Schaufelanordnung darstellt, mittels dieser geometrischen Vorgaben in besonders vorteilhafter Weise ausgestaltet.
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Ferner gilt für die Sehnenlänge ls1 und ls2: ls1/ls2 = 0,73. Für die axialen Abstände ls1x und ls2x gilt: ls1x/ls2x = 0,54.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Lastverteilung auf die beiden Schaufeln insbesondere durch die Sehnenlängen bzw. Verhältnis der Sehnenlängen beeinflusst wird. Die vorgegebenen Verhältnisse der Sehnenlängen bzw. der axialen Abstände führen zu einer verbesserten Lastverteilung auf die beiden Schaufeln 10a, 10b, so dass eine vorteilhafte Umlenkung bei möglichst geringem Widerstand und somit geringen Verlusten ermöglicht wird.
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Ferner hat sich herausgestellt, dass das Verhältnis der Teilung t zu der Gesamtlänge lx bei einem Wert von 0,54 optimal ist. Bezüglich der Winkel βs1 und βS2 gilt: βS1/βS2 = 1,29.
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Die erfindungsgemäße Anordnung des Verdichtungsgitters bietet eine doppelreihige Anordnung von Schaufeln 10a, 10b mit transsonischen Profilen, die eine verbesserte Umlenkung bzw. Druckumsetzung bei verringerten aerodynamischen Verlusten ermöglicht. Ferner bietet das erfindungsgemäße Verdichtungsgitter einen bezüglich der angegebenen geometrischen Größen optimierten Designansatz, der für eine optimale Abstimmung einzelner nachfolgender oder vorangegangener Verdichterstufen genutzt werden kann. Bei der Optimierung des erfindungsgemäßen ein Verdichtungsgitter aufweisenden Axialverdichters kann somit Zeit und Aufwand eingespart werden, da bezüglich der doppelreihig angeordneten Schaufeln des erfindungsgemäßen Verdichtungsgitters 1 nur noch die konkreten Profilformen entwickelt werden müssen und die geometrischen Anordnungen der Schaufeln 10a und 10b zueinander vorgegeben sind.
