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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.