DE1053713B - Verdichter mit relativer UEberschallgeschwindigkeit des Stroemungsmediums im Laufrad - Google Patents

Verdichter mit relativer UEberschallgeschwindigkeit des Stroemungsmediums im Laufrad

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DE1053713B
DE1053713B DEJ12262A DEJ0012262A DE1053713B DE 1053713 B DE1053713 B DE 1053713B DE J12262 A DEJ12262 A DE J12262A DE J0012262 A DEJ0012262 A DE J0012262A DE 1053713 B DE1053713 B DE 1053713B
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DE
Germany
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impeller
flow
compressor
discontinuity
channels
Prior art date
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Pending
Application number
DEJ12262A
Other languages
English (en)
Inventor
Dr-Ing August Lichte
Dipl-Ing Henry Hoppe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D21/00Pump involving supersonic speed of pumped fluids
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • F04D29/324Blades

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Verdichter mit relativer Uberschallgeschwindigkeit des Strömungsmediums im Laufrad Bei Verdichtern, die mit relativer überschal_lgeschwindigkeit des Strömungsmediums im Laufrad arbeiten, besteht das Problem, den für die Verdichtung des Strömungsmediums nutzbar gemachten Verdichtungsstoß tunlichst am Laufradeintritt entstehen zu lassen und dort örtlich zti stabilisieren. Es ist bereits bekannt, die Laufradkanäle zu diesem Zwecke nach Art von Diffusoren in t?mfangsrichtung und/oder in radialer Richtung zu erweitern Diese Mittel zur Verlegung des Verdichtungsstoßes an den Laufradeintritt und zu dessen örtlicher Stabilisierung können indessen noch nicht voll befriedigen. Bekanntlich ist die Verzögerung einer Strömung in einem Diffusor stets mit erheblichen Verlusten verbunden. Da zudem im Laufrad infolge der Kanalerweiterung eine Umlenkung der Strömungsrichtung gegeben ist, tritt leicht ein Ablösen der Strömung von. den Begrenzungen der Laufradkanäle ein. Ein solches Ablösen der Strömung führt zur Bildung von Wirbeln, womit zugleich die örtliche Stabilisierung des Verdichtungsstoßes am Laufradeintritt gefährdet ist und Stoßverluste eintreten. Ferner bedingt ein Ablösen der Strömung eine Erhöhung ihrer Strömungsgeschwindigkeit am Laufradaustritt und damit eine verringerte Verdichtung.
  • Als besonders nachteilig hat sich bei den bisherigen Überschallverdichtern ferner ergeben, daß die Stoßfront nicht mit Sicherheit an der gewünschten Stelle am Laufradeintritt und nicht mit einem solchen Richtungsverlauf entsteht;daß eine volle Ausnutzung der Querschnitte der Laufradkanäle durch das Strömungsmedium gegeben ist. Die nur teilweise Ausfüllung der Querschnitte der Laufradkanäle tritt zu den durch das Ablösen der Strömung bedingten Verlusten sowie zii den ohnedies bei Diffusoren gegebenen Verlusten hinzu, so daß derWirkungsgrad derÜberschallverdichter bisher begrenzt ist.
  • Durch die Erfindung wird ein Überschallverdichter mit verbessertem Nutzeffekt geschaffen, indem Maßnahmen getroffen werden, durch die der Verdichtungsstoß an gewünschter Stelle des Laufradeintritts und mit einem Richtungsverlauf der Stoßfront gebildet wird, durch den eine verbesserte Ausfüllung der Laufradkanäle durch das Strömungsmedium gewährleistet ist. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Laufschaufeln in der Nähe des Laufradeintritts eine an sich bekannte Unstetigkeit ihres Oberflächenverlaufes auf der Saugseite aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung wird der Umstand ausgenutzt, daß solche örtlichen I lnstetigkeiten im Oberflächenverlauf die Bildung von Verdichtungsstößen verursachen, und es wird als Folge ihrer Anordnung in der Nähe des Laufradeintrittes erreicht, daß in er-,viirischter Weise dort der Verdichtungsstoß entsteht und die Stoßfront mit einem Richtungsverlauf stabilisiert ist, der eine verbesserte Ausfüllung der Laufradkanäle durch das Strömungsmedium ergibt.
  • Die Unstetigkeit im Oberflächenverlauf wird in der Weise gestaltet, daß sie kein Ablösen der Strömung v an den Begrenzungen der Laufradkanäle verursacht, beispielsweise als Vertiefung oder Oberflächenrauhigkeit. Die Verwendung solcher Unstetigkeiten, um den Verdichtungsstoß an gewünschter Stelle des Laufradeintritts zu bilden, ist bereits bekannt, und zwar in der Weise, daß die Schaufeldicke über die Tiefe der Schaufel abgeändert wurde. Zur Vermeidung des Ablösens der Strömung von den Begrenzungen der Laufradkanäle ist es jedoch zweckdienlich, wenn ihr Oberflächenverlauf in an sich bekannter Weise im wesentlichen geradlinig ist. Die Beschaufelung des Laufrades muß demzufolge zweckmäßigerweise aus Profilen mit im wesentlichen Wirkungsbereich gleichbleibender Wandstärke bestehen. Besonders vorteilhaft ist es, die Unstetigkeit im Oberflächenverlauf in Gestalt von Durchbrechungen anzuordnen, welche die Kanalbegrenzungswände durchsetzen, so,daß ein übergang des Strömungsmediums von der Druckseite zur Saugseite der Kanalbegrenzungswände möglich ist.
  • Die Durchbrechungen können dabei als Bohrungen oder auch als Schlitze in Einzel- oder Mehrfachanordnung je Begrenzungswand gestaltet sein. Insbesondere bei ihrer Gestaltung als Schlitze durchsetzen sie die hanalbegrenzungswände vorteilhaft mit Schrägverlauf in der Weise, daß sie annähernd mit der in den Laufradkanälen gegebenen Strömungsrichtung in diese einmünden. Neben der durch den Schrägverlauf gegebenen, verhältnismäßig großen Durchbrechungslänge, durch die die Strömungsgeschwindigkeit in den Durchbrechungen herabgesetzt wird, werden die Durchbrechungen tunlichst eng gehalten, so daß die .,i(# durchsetzende Strömung einen Laminarzustand erhält und somit besonders geeignet ist, auf ihrem Strömungswege entlang der Saugseite der Kanalbegrelizungswände eine daran anliegende Strömung zu bilden.
  • Durch die Anordnung der Ilnstetiglceit im Ober-Ilächenverlauf und die dadurch erreichte örtliche und richtungsmäßige Stabilisierung des Verdichtungsstoßes wird es ferner ermöglicht, daß auf eine Erweiterung der Laufradkanäle in Strömungsrichtung verzichtet werden kann, so daß auch die durch die Erweiterung bedingten \Tacliteile, nämlich Diffusorcerluste und begünstigte Strömungsablösung sowie Wirbelbildung, entfallen und eine weitere Verbesserung der Ausfüllung der Laufradkanalquerschnitte begeben ist.
  • Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung im Schnitt in der Laufradumfangsrichtung eines Axialverdichters in mehreren Ausführungsbeispielen scheniatisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 ein Laufschaufelpaar mit Ausbildung cler Oberflächenunstetigkeit als Vertiefungen oder Durchbrechungen, Fig. 2 ein Laufschaufelpaar mit schlitzförmigen, in Schräverlauf angeordneten Durchbrechungen.
  • Die' Laufschaufeln 1 begrenzen bei allen Ausfiillrungsbeispielen die Laufradkanäle 2 in der durch Pfeile kenntlich gemachten Strömungsrichtung mit im #tvesentlichen parallelem Verlauf. Ebenso sind die Laufradkanäle 2 durch die nicht veranschaulichte 1 aufradnabe und durch das Laufradgehäuse parallel begrenzt, so daß bei den Laufschaufelkanälen keine diffusorartige Erweiterung gegeben ist.
  • Zur Lokalisierung des in den Laufradkanälen bei Überschallgeschwindigkeit des Strömungsmediums, z. B. Luft, sich bildenden Verdichtungsstoßes weisen die Begrenzungsflächen 1' der Kanäle 2 auf der Saug-#'eite eine Unstetigkeit im Oberflächenverlauf auf, die beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.l im einen Falle als Vertiefungen 3 und im anderen Falle als Durchbrechungen 4 ausgebildet ist. Die Vertiefungell 3 können Tiber die radiale Erstreckung der Laufradschaufeln reichen, oder es können mehrere einzelne Vertiefungen 3 oder Durchbrechungen 4 in radialer Richtung verteilt angeordnet sein. Ihre Anordnung erfolgt' in der Nähe des L aufradeintritts an einer Stelle, durch die das auf die Eintrittskante der benachbarten Laufschaufel gefällte, in strichpunktierter Linie angedeutete Lot geht.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind in den hanalbegrenzungswänden 1 dünne Schlitze 4 angeordnet, welche ganz oder teilweise über deren radiale Erstreckung reichen. Die Schlitze 4 durchsetzen die Kanalwände 1 mit Schrägverlauf, der derart gewählt ist, daß die Schlitze 4 an der Einfallstelle des am Anfang des engsten Kanalquerschnitts erreichten, strichpunktiert angedeuteten Lotes mit einer Richtung an der Begrenzungsfläche 1' münden, die mit der Strömungsrichtung im Kanal 2 tunlichst gleichgerichtet ist. Die Weite der Schlitze 4 ist so gehalten, daß die die Schlitze 4 von der Begrenzungsfläche 1" zur Begrenzungsfläche 1' durchsetzende Strömung tunlichst im Laminarzustand aus den Schlitzmündungen austritt und unter Bildung einer anliegenden Strömung all den Begrenzungsflächen 1' in Pfeilrichtung entlangströint.
  • Zufolge der dargestellten und beschriebenen Unstetigkeiten im Oberflächenverlauf der Begrenzungsflächen 1' der Laufradkanäle 2 wird eine Lokalisierung des Verdichtungsstoßes in der Nähe des Laufradeintritts mit einem Verlauf der Stoßfront erreicht, die finit dem strichpunktiert eingezeichneten Lot weitgehend zusammenfällt. Infolgedessen füllt die Strömung den Querschnitt der Kanäle 2 in erhöhtem 1-Iaße aus. Werden zudem die. Laufradkanäle ohne eine Diffusorerweiterung ausgeführt, so entfallen auch ein Ablösen der Strömung von den Begrenzungswänden der Kanäle 2 sowie die Bildung von Wirbeln. Ferner entfällt dann die durch den Diffusoreffekt bedingte Verschlechterung des Wirkungsgrades. Mithin ergibt sich im Vergleich mit den bisherigen Über Schallverdichtern eine verbesserte Förderleistung des \, erdichters und ein erhöhter Verdichtungsgrad.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise möglich, die Laufradkanäle mit gekrümmtem Verlauf anzuordnen oder ihnen unter Inkaufnahme einer i 'ißigen Verringerung des 1'\Tiitzeffektes eine schlanke Z, Diffusorerweiterung in Strömungsrichtung zu geben. In allen Fällen ist jedoch in der Nähe des Laufradeintritts zweckmäßig an der Stelle, wo der volle Kanalquerschnitt beginnt und seinen kleinsten Größenwert aufweist, die Unstetigkeit im Verlauf der Begrenzungswände 1' anzuordnen, wobei die Unstetigkeit auch in anderer Weise als dargestellt, z. B. als Oberflächenrauhigkeit, ausgeführt sein kann.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verdichter mit relativer überschallgeschwindigkeit des Strömungsmediums im Laufrad, dessen Besch@aufelung aus Profilen mit im wesentlichen Wirkungsbereich gleichbleibender Wandstärke besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (1) in der Nähe des Lauf radeintritts eine alt sich bekannte Unstetigkeit (3, 4) ihres Oberflächenverlaufes auf der Saugseite (1') aufweisen.
  2. 2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d:aß die Unstetigkeit in sonst bekannter Weise durch eine oder mehrere Vertiefungen (3) gebildet ist.
  3. 3. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeit durch Durchbrechungen (4) gebildet ist, die vorzugsweise mit Schrägverlauf als Schlitze die Begrenzungswände (1) der Laufradkanäle durchsetzen und zur Bildung einer Laminarströmung eine verhältnismäßig geringe Weite aufweisen.
  4. 4. Verdichter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradkanäle (2) in an sich bekannter Weise in Strömungsrichtung parallel begrenzt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 278 098; VDI-Zeitschrift, 1950, S. 201 bis 206; Report 974 »The supersonic axial-flow compressor« von Arthur K a n t r o w i t z , Langley Aeronautical Laboratory 1950; deutsche Patentanmeldung M 19 493 1 a/27 c.
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