DE1046246B - Axialverdichter - Google Patents

Description

In dem Bestreben, Axialverdichter für sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen geeignet zu machen, wird gemäß der Erfindung eine nach rückwärts gepfeilte Beschaufelung vorgeschlagen mit wenigstens einem mindestens annähernd in konstantem Abstand zur Hauptachse der Maschine verlaufenden, als Grenzschichtzaun wirkenden Bund. Gepfeilte Schaufeln sind bekannt und in vorwärts gepfeilter Ausführung empfohlen worden.

Ferner sind Axialverdichterschaufeln mit einem Grenzschichtzaun bekannt, deren Eintritts- und Austrittskanten, nach außen aus Festigkeitsgründen zusammenlaufend, je gegen die Senkrechte zur Verdichterachse etwas geneigt sind, und zwar die Eintrittskante nach vorwärts und die Austrittskante nach vorwärts.

Die Erfindung befaßt sich demgegenüber mit einer betont rückwärts gepfeilten Beschaufelung, also einer Beschaufelung, bei der die Eintrittskanten der Schaufeln nicht senkrecht oder nahezu senkrecht zu der Maschinenlängsachse verlaufen, sondern merklich schräg nach rückwärts in Strömungsrichtung geneigt sind. Solche Schaufeln weisen auch bei großen axialen Strömungsgeschwindigkeiten, die sich der Schallgeschwindigkeit nähern und folglich an sich einen schlechten Wirkungsgrad zur Folge hätten, noch einen guten Wirkungsgrad auf, weil hierfür nur die senkrecht zur Eintrittskante der Schaufel verlaufende Komponente der Strömung maßgebend ist und diese bei der gepfeilten Schaufelform erheblich kleiner als der Betrag der axialen Strömung ist.

Solche Schaufeln haben sich aber bisher nicht durchsetzen können, offenbar weil sie bezüglich der Gefahr des Abreißens der Strömung und des sogenannten »Pumpens« besonders heikel sind. Dies hat im einzelnen die folgenden Ursachen: Beim Durchströmen eines axialen Schaufelrades bilden sich infolge der Zähigkeit des Strömungsmittels um die Schaufeln Grenzschichtgebiete aus, in denen die Strömungsgeschwindigkeit von dem Wert der freien Strömung bis auf Null an der Schaufeloberfläche abnimmt. Die in diesen Grenzschichten enthaltenen Teilchen erfahren infolge der Rotation des Schaufelrades eine Zentrifugalbeschleunigung, die an den Schaufeloberflächen eine nach außen gerichtete Sekundärströmung zur Folge hat. Dieser Vorgang ist unter dem Begriff »Grenzschichtzentrifugierung« bekannt und bedingt einen der Grenzschichtabsaugung ähnlichen Abtransport des Grenzschichtmaterials von den nabennahen Schaufelteilen und eine Anhäufung von Grenzschichtmaterial in der Nähe der äußeren Schaufelberandung. Je dünner die Grenzschicht ist, um so größer ist die zulässige Schaufelbelastung, ausgedrückt durch den maximalen Auftriebsbeiwert Axialverdichter

Anmelder:

Daimler-Benz Aktiengesellschaft,
Stuttgart-Untertürkheim, Mercedesstr. 136

Erwin Schnell, Stuttgart-Rohracker,
ist als Erfinder genannt worden

^ca max' bzw. durch die zulässige Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Schaufelgitter, bei deren Überschreiten die Strömung abreißen und ein »Pumpen« einsetzen würde. Infolge der Grenzschichtzentrifugierung ist somit die zulässige Verzögerung an den nabennahen Schaufelschnitten größer als an den Außenschnitten. Hierauf folgt, daß das Abreißen der Strömung oder »Pumpen« eines Axialverdichters, gegebenenfalls auch einer Axialturbine, durch den Grenzschichttransport infolge der Sekundärströmungen beeinflußt wird, wobei die Grenzscihidhtdicke am Außenschnitt entscheidend ist. Bei rückwärts gepfeilten Schaufeln überlagert sich der durch die Rotation bedingten Grenzschichtzentrifugierung noch eine durch die Pfeilform bedingte aerodynamische Grenzschichtströmung nach außen. Die Folge ist ein außerordentlich starkes Anwachsen der Grenzschicht im äußeren Schaufelbereich und damit eine erihöhte Gefahr des Abreißens der Strömung bzw. des »Pumpens«. Erst durch die erfindungsgemäße Anbringung eines an sich als Gegenmaßnahme zur Grenzschichtzentrifugierung bekannten Grenzschichtzaunes, der auch die aerodynamische Grenzschichtströmung unterbindet, konnte die »Pumpgrenze« genügend weit herausgeschoben werden und somit die Vorteile der rückwärts gepfeilten Beschaufelung praktisch nutzbar gemacht werden.

Es hat sidh als vorteilhaft erwiesen, dem Bund eine Höhe von etwa der halben Schaufelprofildicke zu geben. So ergeben sich verhältnismäßig kleine Bundhöhen, welche die Anwendung des Grenzschichtzaunes auch bei relativ großen Umfangsgeschwindigkeiten des Laufrades erlauben, um so mehr, als der Grenzschichtzaun selbst nur mit mäßigen Umfangsgeschwindigkeiten umläuft. Da die Strömung in erster Linie auf der Saugseite (Oberseite) der Schaufel abreißt, ist es wichtig, die Grenzschichtzentrifugierung dort besonders wirksam zu hemmen. Es kann also

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vorteilhaft sein, wenn die Bundhöhe auf der Schaufelsaugseite größer ist als auf der Schaufeldruckseite bzw. wenn der Bund überhaupt nur auf der Schaufelsaugseite angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine genügende Wirksamkeit mit einer verhältnismäßig leichten Bauweise verbunden. Sofern es ganz besonders einerseits auf eine Gewichtsersparnis und andererseits auf die Wirksamkeit ankommt, ist eine Ausführung zu empfehlen, bei welcher der Bund sich nur auf einen Teil des Profilumfanges erstreckt, insbesondere auf die Hälfte bis zwei Drittel der Profillänge, von der Eintrittskante ausgehend.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 die Ansicht auf eine erfmdungsgemäße Schaufel,

Fig. 2 einen Schnitt durch diese Schaufel, entsprechend der Linie H-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Schaufel, entsprechend der Linie IV-IV, in einer Ausführungsform mit rings um das Sdhaufelprofil verlaufendem Bund,

Fig. 4 einen entsprechenden Querschnitt durch die Schaufel nach Fig. 1 mit auf beiden Schaufelseiten nur teilweise vorhandenem Bund und

Fig. 5 einen entsprechenden Schnitt einer Ausführung, bei der der Bund nur auf einem Teil der Schaufeloberseite vorhanden ist.

In allen Figuren ist die Drehbewegung in Umfangsrichtung durch Pfeile^ angedeutet, während Pfeile B die Strömungsrichtung kennzeichnen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine gepfeilte Schaufel, deren Eintrittskante 1 (und auch Austrittkante 2) in Richtung der Strömung B nach hinten geneigt sind. Es sind zwei Grenzschichtzäune 3 und 4 radial hintereinander angeordnet, von denen der erste, entsprechend Fig. 4, sich auf der Schaufelsaugseite 5 etwa auf zwei Drittel der Schaufellänge, auf der Schaufeldruckseite 6 etwa auf die Hälfte der Profillange, von der Eintrittskante 1 aus gerechnet, erstreckt und der zweite, entsprechend Fig. 5, nur auf der Schaufelsaugseite 5 verläuft.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 hat der als Grenzschichtzaun wirkende Bund 7 auf der Schaufelsaugseite 5 eine größere Höhe α als auf der Unterseite 6 (Höhe b). Der Grenzschichtzaun ist um das gesamte Schaufelprofil herum geführt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist im Interesse einer Erleichterung der Grenzschichtzaun nur auf diejenigen Teile der Schaufel konzentriert, die bezüglich der Grenzschichtverschiebung besonders empfmdlich sind.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der besonders auf kleines Gewicht Wert gelegt wurde und die unter Berücksichtigung der Zentrifugalkräfte festigkeitsmäßig infolgedessen sehr günstig ist und

ίο auch in Längsrichtung nicht mehr Platz beansprucht als eine Schaufel ohne Grenzschichtzaun. Der Bund ist hierbei nur auf das Gebiet größeren Unterdruckes, also etwa auf die erste Hälfte der Schaufeloberseite beschränkt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Axialverdichter mit einer nach rückwärts gepfeilten Beschaufelung, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schaufeloberfläche in an sich bekannter Weise wenigstens ein mindestens annähernd in konstantem Abstand zur Hauptachse der Maschine verlaufender, als Grenzschichtzaun wirkender Bund angeordnet ist.

2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bundhöhe etwa der halben Schaufelprofildicke entspricht.

3. Axialverdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bundhöhe auf der Schaufelsaugseite größer ist als auf der Schaufeldruckseite.

4. Axialverdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund nur auf der Schaufelsaugseite angeordnet ist.

5. Axialverdichter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund sich nur auf einen Teil des Profilumfanges erstreckt, insbesondere auf die Hälfte bis zwei Drittel der Profillänge, von der Eintrittskante ausgehend.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 715 016;
britische Patentschriften Nr. 719 236, 609 322, 783;
VDI-Zeitschrift, Bd. 94 (1952), S. 1019.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen