-
Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Flügelprofil
für die
Schaufeln in dem Schaufelgitter eines Kompressors und zwar insbesondere
ein Kompressor-Flügelprofil
mit einer großen
Umlenkung, bei dem sich eine Innenwölbung, an der ein Überdruck
entsteht, und eine Außenwölbung, an
der ein Unterdruck entsteht, auf derselben Seite der Flügelsehne
befinden.
-
Ein in dem US-Patent 4655412 beschriebenes
Flugzeug-Flügelprofil
ist gekennzeichnet durch die Krümmungsverteilung
der Außenwölbung. Die Krümmung weist
vor einer die 10% der Flügelsehnenlänge entspricht,
einen ersten Minimalwert auf, sie weist einen zweiten Minimalwert
an einer Stelle auf, die hinter der Stelle eines Maximalwerts und
vor einer Stelle, an der 40% der Flügelsehnenlänge erreicht sind, liegt. Die
Stelle mit dem Krümmungsmaximum
liegt in der Mitte zwischen den beiden Stellen mit den Krümmungsminima.
Mit dieser Krümmungsverteilung
wird versucht, die Auftriebseigenschaften und die Lastverteilung
bei großem
Anstellwinkel zu verbessern.
-
Ein in dem japanischen Patent 2906939
beschriebenes Flügelprofil
für die
Stator- und Rotor-Schaufeln eines Axial-Kompressors hat an einer Stelle
hinter der Vorderkante ein Krümmungsminimum
der Außenwölbung und
an einer Stelle dahinter ein Krümmungsmaximum.
Mit dieser Ausbildung wird versucht, die Entstehung von Schockwellen
bei Eintrittsgeschwindigkeiten des Axial-Kompressors unterhalb und
oberhalb der Schallgeschwindigkeit zu vermeiden und so die Verluste,
die durch Schockwellen entstehen, zu reduzieren.
-
Bei dem Flügelprofil des oben genannten US-Patents
4655412 handelt es sich um ein Flügelprofil mit einem kleinen
Umlenkungswinkel für
Flugzeuge, das sich schwerlich für
die Anwendung in einem Axial-Kompressor mit Schaufeln mit großer Umlenkung
eignet. Bei dem Flügelprofil
des oben genannten japanischen Patents 2906939 handelt es sich auf
der anderen Seite zwar um ein Flügelprofil für einen
Axial-Kompressor, aber eines mit kleiner Umlenkung, bei dem sich
Innen- und Außenwölbung auf
unterschiedlichen Seiten der Flügelsehne
befinden. Dies ist ein grundsätzlicher
Unterschied zu dem Flügelprofil
der vorliegenden Erfindung, bei dem sich Innen- und Außenwölbung auf
derselben Seite der Flügelsehne
befinden. Außerdem
besteht zwischen beiden Flügelprofilen
auch dadurch ein direkter Gegensatz, dass sich bei demjenigen des
genannten japanischen Patents die Stelle mit einem Krümmungsmaximum
der Außenwölbung hinter
der Stelle mit einem Krümmungsminimum
befindet, während
sich bei demjenigen der vorliegenden Erfindung die Stelle mit einem
Krümmungsmaximum
innerhalb eines Bereichs von 10% bis 35% der Flügelsehne und die Stelle mit
einem Krümmungsminimum
innerhalb eines Bereichs von 30% bis 50% der Flügelsehne und hinter der Stelle
mit dem Krümmungsmaximum
befindet.
-
Die vorliegende Erfindung ist angesichts
der oben geschilderten Situation entstanden und hat die Aufgabe,
ein Kompressor-Flügelprofil
mit großer
Umlenkung zur Verfügung
zu stellen, mit dem die Ablösung
der Laminarströmung
und die Blasenbildung bei niedrigen Werten der Reynolds-Zahl unterdrückt und
so der Gesamtdruckverlust reduziert werden kann, während die
Leistung bei mittleren und hohen Werten der Reynolds-Zahl erhalten
bleibt.
-
Um die angegebene Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem
ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung ein weiterentwickeltes
Kompressor-Flügelprofil
mit großer
Umlenkung vorgeschlagen, bei dem sich die Innenwölbung, an der ein Überdruck
entsteht, und die Außenwölbung, an
der ein Unterdruck entsteht, auf derselben Seite der Flügelsehne
befinden, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mit der Flügelsehnenlänge dimensionslos
gemachte (auf die Flügelsehnenlänge normierte)
Krümmung der
Außenwölbung im
Bereich zwischen 10% und 35% der Flügelsehnenlänge einen Maximalwert und hinter
dem Maximalwert im Bereich zwischen 30% und 50% der Flügelsehnenlänge einen
Minimalwert annimmt.
-
Als zweites Merkmal der vorliegenden
Erfindung wird ein weiterentwickeltes Kompressor-Flügelprofil
mit großer
Umlenkung vorgeschlagen, bei dem zusätzlich zu dem ersten Merkmal
die Differenz zwischen dem Maximalwert und Minimalwert der Krümmung der
Außenwölbung gleich
oder größer als
0,5 ist.
-
Als drittes Merkmal der vorliegenden
Erfindung wird ein weiterentwickeltes Kompressor-Flügelprofil
mit großer
Umlenkung vorgeschlagen, bei dem zusätzlich zu dem ersten Merkmal
ein Umlenkungswinkel gleich oder größer als 40° ist.
-
Bei dem oben genannten Aufbau eines
Flügelprofils
mit großer
Umlenkung, bei dem sich die Innenwölbung, an der ein Überdruck
entsteht, und die Außenwölbung, an
der ein Unterdruck entsteht, auf derselben Seite der Flügelsehnenlinie
befinden, weist die Krümmung
der Außenwölbung zwischen 10%
und 35% der Flügelsehnenlänge einen
Maximalwert und dahinter zwischen 30% und 50% der Flügelsehnenlänge einen
Minimalwert auf. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Ablösung der
Laminarströmung
und die Blasenbildung bei niedrigen Werten der Reynolds-Zahl zu
unterdrücken
und so den Gesamtdruckverlust zu reduzieren, ohne dass die Leistung
bei mittleren und hohen Werten der Reynolds-Zahl beeinträchtigt wird.
-
Die oben beschriebene Wirkung kann
besonders dadurch verstärkt
werden, dass die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der
Krümmung
der Außenwölbung des
Flügelprofils größer als
0,5 und der Winkel der Umlenkung größer als 40° gemacht werden.
-
Wenn in der vorliegenden Beschreibung
von "Krümmung" die Rede ist, dann
handelt es sich um eine Größe, die
mit Hilfe der Flügelsehnenlänge C dimensionslos
gemacht worden ist. D.h. die Krümmung
ist der reziproke, mit der Flügelsehnenlänge C dimensionslos
gemachte Krümmungsradius.
Wenn also der tatsächliche
Krümmungsradius
gleich groß wie
die Flügelsehnenlänge C ist,
dann sind der dimensionslos gemachte Krümmungsradius 1,0 und die Krümmung 1,0.
Wenn der tatsächliche
Krümmungsradius
doppelt so groß wie
die Flügelsehnenlänge C ist,
dann sind der dimensionslos gemachte Krümmungsradius 2,0 und die Krümmung 0,5.
Wenn der tatsächliche
Krümmungsradius
halb so groß wie die
Flügelsehnenlänge C ist,
dann sind der dimensionslos gemachte Krümmungsradius 0,5 und die Krümmung 2,0.
-
Durch die Erläuterung geeigneter Ausführungsbeispiele
anhand der beigefügten
Figuren können
der oben genannte Zweck sowie die sonstigen Ziele, die Eigenschaften
und die Vorteile der vorliegenden Erfindung verdeutlicht werden.
-
Die 1 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung.
-
1 zeigt
die Flügelprofile
eines ersten und eines zweiten Ausführungsbeispiels sowie eines
Vergleichsbeispiels.
-
2 zeigt
eine Schaufelkaskade mit dem Flügelprofil
des ersten Ausführungsbeispiels.
-
3 zeigt
ein Diagramm mit den Verteilungen der Krümmung der Außenwölbung in
Richtung der Flügelsehnenlänge für das Flügelprofil
des ersten Ausführungsbeispiels,
des zweiten Ausführungsbeispiels
und des Vergleichsbeispiels.
-
4 zeigt
ein Diagramm mit der Auswirkung der Reynolds-Zahl auf den Koeffizienten
des relativen Gesamtdruckverlusts für das Flügelprofil des ersten Ausführungsbeispiels,
des zweiten Ausführungsbeispiels
und des Vergleichsbeispiels.
-
5 zeigt
ein Diagramm mit der Verteilung der Wandschubspannung an der Außenwölbung des Flügelprofils
des ersten Ausführungsbeispiels
bei einer Machzahl von 0,60 am Schaufeleinlass.
-
6 zeigt
ein Diagramm mit der Verteilung der Wandschubspannung an der Außenwölbung des Flügelprofils
des Vergleichsbeispiels bei einer Machzahl von 0,60 am Schaufeleinlass.
-
Im folgenden werden die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung anhand der 1 bis 6 erläutert.
-
In 1 sind
die Flügelprofile
des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung mit einer durchgezogenen bzw. gestrichelten Linie
und das Flügelprofil
des Vergleichsbeispiels (herkömmliches
Controlled-Diffusion-Flügelprofil)
mit einer strichpunktierten Linie dargestellt. Diese Flügelprofile
werden in dem Schaufelgitter eines Axial-Kompressors verwendet (siehe 2). Die Flügelprofile
des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels weisen
auf derselben Seite einer Flügelsehne
CL die Innenwölbung
Sp (die Seite mit Überdruck,
Druckfläche)
und die Außenwölbung Ss
(die Seite mit Unterdruck, Saugfläche) auf und weisen eine große Umlenkung
mit einem Umlenkungswinkel α von
gleich oder mehr als 40° (43° beim Flügelprofil
des ersten Ausführungsbeispiels)
auf.
-
Wie man aus 3 ersehen kann, nimmt die Krümmung der
Außenwölbung Ss
des Flügelprofils des
Vergleichsbeispiels von der Vorder- bis zur Hinterkante monoton
ab und wird im Bereich hinter 83% der Flügelsehnenlänge C negativ (die Außenwölbung Ss
ist hier konkav nach oben geformt). Durch diese kontinuierliche
Krümmungsänderung
der Außenwölbung Ss
des Flügelprofils
wird ein an der Außenwölbung Ss
entlang fließendes
Fluid wirksam abgebremst, so dass sich der Druck wieder aufbauen kann.
Auf diese Weise versucht man, das Auftreten von Strömungsablösung zu
verhindern. Aber der Koeffizient des relativen Gesamtdruckverlusts
hat, wie man aus 4 ersehen
kann, bei dem Flügelprofil des
Vergleichsbeispiels hohe Werte in einem breiten Bereich der Reynolds-Zahl
und wächst,
was besonders problematisch ist, im niedrigen Bereich der Reynolds-Zahl
gleich oder unterhalb 130.000 stark an.
-
Dagegen haben die Krümmung der
Außenwölbung Ss
des Flügelprofils
des ersten Ausführungsbeispiels
(durchgezogene Linie) bei 21% der Flügelsehnenlänge C einen Maximalwert (1,37)
und dahinter bei 40% der Flügelsehnenlänge C einen
Minimalwert (0,63) und die Krümmung
der Außenwölbung Ss
des Flügelprofils
des zweiten Ausführungsbeispiels
(gestrichelte Linie) hat bei 29% der Flügelsehnenlänge C einen Maximalwert (2,12)
und dahinter bei 32% der Flügelsehnenlänge C einen
Minimalwert (0,73). Die Differenz zwischen dem
Maximalwert und dem Minimalwert der Krümmung der Außenwölbung Ss
des Flügelprofils
beträgt
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
0,74 und bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
1,39, also in beiden Fällen
mehr als 0,50.
-
Dadurch, dass, wie oben erläutert wurde,
die Krümmung
einen Maximalwert im Bereich zwischen 10% und 35% der Flügelsehnenlänge C und
einen Minimalwert dahinter im Bereich zwischen 30% und 50% der Flügelsehnenlänge C erreicht,
ist der Koeffizient des relativen Gesamtdruckverlusts über den ganzen
Bereich der Reynolds-Zahl einschließlich des mittleren und hohen
Bereichs niedriger als bei dem Flügelprofil des Vergleichsbeispiels.
Insbesondere ist der Koeffizient des relativen Gesamtdruckverlusts
im niedrigen Bereich der Reynolds-Zahl unterhalb 130.000 wesentlich
niedriger als bei dem Flügelprofil des Vergleichsbeispiels.
Dieser Effekt wird besonders markant, wenn der Umlenkungswinkel
des Flügelprofils
größer als
40° und
die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Krümmung größer als
0,50 sind.
-
Wie 6 zeigt,
befindet sich bei dem Vergleichsbeispiel der Bereich, in dem die
dimensionslos gemachte Wandschubspannung an der Außenwölbung Ss
des Flügelprofils
negative Werte annimmt, nämlich
der Bereich, in dem es bedingt durch die Ablösung der Laminarströmung zur
Blasenbildung kommt, zwischen 36% und 70% der Flügelsehnenlänge C, während dieser Bereich bei dem
ersten Ausführungsbeispiel,
wie 5 zeigt, auf den
Bereich zwischen 36% und 62% der Flügelsehnenlänge C beschränkt ist.
Dadurch, dass die Stelle, an der sich die Grenzschicht wieder anlegt,
nach vorne verlagert ist, verkleinert sich bei dem Flügelprofil
des ersten Ausführungsbeispiels
die Größe des Ablösungsbereichs
der Laminarströmung
um 8 % der Flügelsehnenlängenlänge C. Außerdem sieht
man, dass der Betrag der negativen dimensionslosen Wandschubspannung
im Ablösungsbereich
der Laminarströmung
bei dem Flügelprofil
des ersten Ausführungsbeispiels
kleiner als bei dem Flügelprofil
des Vergleichsbeispiels ist und das Phänomen einer Gegenströmung des
Fluids in den Blasen im Ablösungsbereich
der Laminarströmung
abgeschwächt
ist. Mit dem Flügelprofil
der vorliegenden Erfindung wird also, wie gerade erläutert, die
Ablösung
der Laminarströmung
und die Blasenbildung an der Außenwölbung Ss
wirksam unterdrückt,
was ein Faktor dafür zu
sein scheint, dass der Koeffizient des relativen Gesamtdruckverlusts
reduziert werden kann.
-
Im übrigen wird die Wandschubspannung durch
die Gleichung τ = μ (dU / dy)
gegeben, in der μ der
Viskositätskoeffizient,
y der Abstand von der Wand und U die parallel zur Wand gerichtete
Komponente der Strömungsgeschwindigkeit
im Abstand y von der Wand sind. Die dimensionslose Wandschubspannung τ' in den 5 und 6 wird gebildet, indem die genannte Wandschubspannung τ mit Hilfe
der Referenzgeschwindigkeit Uref und einer Referenzdichte ρ gemäß der Gleichung τ' = τ /(ρUref**2)
dimensionslos gemacht wird.
-
Das Flügelprofil mit großer Umlenkung
und guter Eignung für
die Schaufeln in dem Schaufelgitter eines Axial-Kompressors ist
so ausgebildet, dass sich die Innenwölbung, an der ein Überdruck
entsteht, und die Außenwölbung, an
der ein Unterdruck entsteht, auf derselben Seite der Flügelsehne
befinden, und dass die mit der Flügelsehnenlänge dimensionslos gemachte
Krümmung
der Außenwölbung im Bereich
zwischen 10% und 35% der Flügelsehnenlänge einen
Maximalwert und dahinter im Bereich zwischen 30% und 50% der Flügelsehnenlänge einen
Minimalwert annimmt. Vorzugsweise sollten die Differenz zwischen
dem Maximalwert und dem Minimalwert der Krümmung gleich oder größer als
0,5 und der Umlenkungswinkel gleich oder größer als 40° sein. Bei diesem Flügelprofil
ist der Koeffizient des relativen Gesamtdruckverlusts über den
ganzen Bereich der Reynolds-Zahl einschließlich des mittleren und hohen
Bereichs niedriger als bei dem Flügelprofil des Vergleichsbeispiels.
Insbesondere ist der Koeffizient des relativen Gesamtdruckverlusts
im niedrigen Bereich der Reynolds-Zahl unterhalb 130.000 wesentlich
niedriger als bei dem Flügelprofil
des Vergleichsbeispiels. Das scheint darauf zurückzuführen zu sein, dass der Ablösungsbereich
der Laminarströmung
entlang der Außenwölbung im
niedrigen Bereich der Reynolds-Zahl kleiner und das Gegenströmungs-Phänomen in
den Blasen im Ablösungsbereich
der Laminarströmung
schwächer
werden.