DE1280261B

DE1280261B - Spaltschaufeln von nicht laminarem Profil fuer Stroemungsmaschinen mit axialer Durchstroemungsrichtung

Info

Publication number: DE1280261B
Application number: DEG26362A
Authority: DE
Inventors: Herman Ernst Sheets
Original assignee: General Dynamics Corp
Current assignee: General Dynamics Corp
Priority date: 1958-10-20
Filing date: 1959-02-12
Publication date: 1968-10-17

Description

Spaltschaufeln von nicht laminarem Profil für Strömungsmaschinen mit axialer Durchströmungsrichtung

Die Aufgabe besteht darin, den Wirkungsgrad von

axial durchströmten Strömungsmaschinen mit Spalt-

schaufeln als Lauf- und gegebenenfalls Leitschaufeln

im Auslegungspunkt zu erhöhen und einen hohen

Wirkungsgrad über einen größeren Betriebsbereich

zu erhalten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lage

des Spaltaustritts an der Schaufeloberseite um 5 bis

7"i() der Profilsehnenlänge hinter derjenigen Stelle

gewählt ist an der beim Profil der spaltlosen Schaufel

gleicher Dicke, Dickenrücklage, Profilsehnenlänge

und Anstellung (ler Druckanstieg am steilsten ist

oder zu sein beginnt und daß die Weite des Spaltaus-

tritts gleich ist der Sunttne aus der 1,0- bis 1,66fachen

Dicke der Grenzschicht auf der Oberseite des vor-.

deren Profils an dessen Hinterkante, der Dicke der

Die Erfindung betrifft Spaltschaufeln von nicht laminarem Profil für Strömungsmaschinen mit axialer Durchströmungsrichtung.

Als laminar werden bekanntlich Profile mit mehr als 30% Dickenrücklage - das ist die Lage der größten Profildicke hinter der Profilnase, gerriessen in Prozent der. Profilsehnenlänge - und als nicht laminar oder orthodox Profile mit 30 oder weniger Prozent Dickenrücklage bezeichnet.
Daß Spaltschaufeln dank der durch den Spalt bewirkten Vergrößerung des Laminarbereichs ihrer Grenzschicht niedrigeren Profilwiderstand und somit höheren Wirkungsgrad als spaltlose Schaufeln haben können, ist aus »Transactions of the ASME«, 1956, S. 1685, rechte Zeilen 5 bis 12, bekannt. Um wieviel sie besser als diese sein können, hängt wesentlich davon ab, an welcher Stelle der Schaufelrückseite - diese wird im folgenden, in Analogie zum Tragflügel eines Flugzeuges, Oderseite genannt - der Spalt liegt. Da dieser die Grenzschicht, sobald ihre Laminarität in Turbulenz umschlägt, wegblasen soll, muß er etwa an der Stelle liegen, wo der Umschlag erfolgt oder beginnt.

Aus »Transactions of the ASME«, 1956, S. 1684, linke Zeilen 46 bis 48, ist es bekannt, daß der Umschlag dicht strornunterhalb des Punktes niedrigsten absoluten Druckes liegt. Es würde also nahelicgcn, den Spalt an der Oberseite dicht hinter derjenigen Stelle des Profils anzuordnen, an der beim spaltlosen Profil der niedrigste Druck herrscht. Dies würde, da bekanntlich das Druckminimum dort liegt, wo das Profil am dicksten ist, bei nicht laminarcn Profilen bedeuten, daß der Spalt dicht hinter höchstens 30%) der Profilsehnenlänge angeordnet werden müßtc und somit noch fast 70%) des Profils hinter dem Spalt I ieszen.

Grenzschicht auf der Unterseite des vorderen Profils

an dessen Hinterkante und der Dicke der Grenz-

schicht auf der Oberseite des hinteren Profils an der

Stelle des Spaltaustritts.

Diese Lösung beruht auf der Annahme, daß der

Druckanstieg dicht hinter dem Druckminimum noch

zu schwach ist, die laminare Grenzschicht in turbu-

lente umzuwandeln, und zwar besonders dann, wenn

die gesamte Druckdifferenz klein ist. Sie sieht daher

vor, die Lage des Spaltaustritts an der Oberseite erst

hinter derjenigen Stelle des Profils anzuordnen, an

der beim Profil der spaltlosen Schaufel gleicher Dicke,

Dickenrücklage, Profilsehnenlänge und Anstellung der

Druckanstieg am steilsten ist oder, falls dieses Maxi.

mum der Steilheit nicht punktförmig, sondern von

endlicher Länge ist, zu sein beginnt. Auf Grund der

Erkenntnis, daß der aus dem Spalt austretende Blas.

strahl, weil wesentlich tangential stromabwärts ge-

richtet, die stromoberhalb von ihm befindliche Grenz-

schicht wie eine Strahlpumpe ansaugt, also infolge

dieses Sogs den Druckanstieg in der Grenzschicht

vermindert und daher den Umschlag von Laminarität

zur Turbulenz stromabwärts verlegt, wurde aber vor-

gesehen, daß der Spaltaustritt an der Oberseite erst

5 bis 7°/d, hinter der vorher definierten Stelle liegt. Da

die Grenzschicht beeinflußt -werden soll, ist auch eine bestimmfe Bemessung der Spaltweite im Verhältnis zur Grenzschichtdicke erforderlich.

Ein Gebläse mit Spaltschaufeln gemäß der Erfindung hat- einen beträchtlich höheren Wirkungsgrad als ein solches mit Spalischaufeln von bekannter Ausführung, wobei der. Wirkungsgrad, auch insbesondere in Richtung größerer Lieferzahlen bzw. kleinerer Anströmwinkel der Schaufeln, ein flacher verlaufendes Maximum hat. So wurde z. B. bei einem Gebläse allein für das mit Spaltschaufeln gemäß der Erfindung besetzte Laufrad ein überraschend hoher Wirkungsgrad von bis zu 97% im Maximum festgestellt.
Zur Erreichung günstiger Strömungsverhältnisse am Spaltaustritt beträgt vorteilhafterweise die Uberlappung von vorderem und hinterem Profil etwa 0,5 bis 5% der Länge der Sehne der Spaltschaufel.
Wenn die Wölbung des Schaufelprofils - wie dies in der Regel der Fall ist - am Fuß der Schaufel größer ist als an der Schaufelspitze, ist es vorteilhaft, wenn die Uberlappung von der Schaufelspitze zum Schaufelfuß anwächst.
Damit die Strömung am Spaltaustritt der Grenzschicht auf der Oberseite des Schaufelprofils in größtmöglichem Ausmaß Energie zuführt; sollte gemäß einem noch weiteren Merkmal gemäß der Erfindung der Winkel der Tangente an die Hinterkante der Unterseite des vorderen Profils mit der Sehne des vorderen Profils größer sein als der Winkel der Tangente an die Oberseite des hinteren Profils am Spaltaustritt mit derselben Sehne.
Für die Merkmale der Unteransprüche wird nur Schutz in Verbindung mit dem Hauptanspruch begehrt. -Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
F i g. f zeigt den statischen Druck längs der Oberseite eines nicht laminaren spaltlosen Schaufelprofils, aufgetragen über der Profilsehnenlänge, und F i g. 2 und 3 zeigen je einen Schnitt durch den Spaltbereich des Profils einer Spältschaufel nach der Erfindung.
F i g. 1 zeigt nur den typischen Verlauf der Druckverteilungskurve bei einem nicht laminaren spaltlosen Schaufelprofil. Natürlich- ist die Druckverteilungskurve bei jedem Profil anders. Der statische Druck ist dimensionslos über der Profilsehnenlänge aufgetragen. Mit A ist der Punkt auf der Profilsehne bezeichnet, über dem auf der Oberseite des Profils der statische Druck sein Minimum hat. Wenn die größte Profildicke bei einem nicht laminaren Profil die gemäß seiner Definition größte Rücklage hat, würde das 'Druckminimum etwa bei A' liegen. B ist der Punkt auf der Profilsehne, an dem bei der gezeigten Druckverteilungskurve der steilste Druckanstieg beginnt und x zeigt den Bereich 5 bis 7% der Länge der Profilsehne hinter dieser Stelle, in dem gemäß der Erfindung der Spaltaustritt liegen soll.
In F l g. 2 ist mit t1 die Dicke der Grenzschicht auf der Unterseite des vorderen Profils an dessen Hinterkante, mit t2 die Dicke der Grenzschicht auf der Oberseite des vorderen Profils an dessen Hinterkante und mit t3 die Dicke der Grenzschicht auf der Oberseite des hinteren Profils an der Stelle des Spaltaustritts bezeichnet. Die Weite des Spaltaustritts ist mit s und die effektive Spaltweite an dieser Stelle zwischen der -Grenzschicht auf der Unterseite des vorderen Profils und der Grenzschicht auf der Oberseite des hinteren Profils ist mit s1 bezeichnet.
Durch Anwendung der Theorie der Strahlpumpen auf verschiedene bekannte Profile und Berechnung der mittleren Grenzschichtgeschwindigkeiten nach bekannten Formeln wurde als Mittelwert für das Verhältnis einer Fläche A1 des antreibenden Strahls und einer Fläche AZ der mitgenommenen Luftmasse am Spaltaustritt der Wert gefunden. Die Grenzen lagen dabei in dem Bereich Dieses Flächenverhältnis ist bei einer Spaltschaufel gleich dem Verhältnis der effektiven Spaltweite il am Spaltaustritt zu. der Dicke t2 der Grenzschicht auf der Oberseite des vorderen Profils an dessen Hinterkante, so daß ist. Aus F i g. 2 ergibt sich, daß die effektive Spaltweite s1 sich wie folgt ergibt: s1 = s - t1 - t3. Wenn man die oben wiedergegebenen Grenzen berücksichtigt, ergibt sich ein Bereich zwischen s,";" und s",ax mit Dies ist der Bereich, in dem erfindungsgemäß die Weite des Spaltaustritts liegen soll.
In F i g. 2 ist auch die Uberlappung ü von vorderem und hinterem Profil eingezeichnet. Ist die Vberlappung größer als 5% der Profilsehnenlänge, so nehmen die Reibungsverluste der Strömung im Spalt merklich zu und verringern damit den Wirkungsgrad wieder stark. Ist die Uberlappung dagegen kleiner als 0,5%, so ergeben sich ungünstige Strömungsverhältnisse am Spaltaustritt.
Gemäß F i g. 3 schließen die Tangente an die Hinterkante der Unterseite des vorderen Profils und die Sehne cl des vorderen Profils den Winkel T und die Tangente an die Oberseite des hinteren Profils am Spaltaustritt und dieselbe Sehne cl den Winkel T ein. Die mittlere Richtung- der Strömung am Spaltaustritt hat den Winkel _M mit der Sehne cl des vorderen Profils. Damit die Strömung durch den Spalt der Grenzschicht auf der Oberseite des Spaltflügels in größtmöglichem Ausmaß Energie zuführt, muß der Spalt düsenförlnig gestaltet sein und die mittlere Richtung der Strömung am Spaltaustritt tangential zur Oberseite des hinteren Profils verlaufen. Um dies zu gewährleisten, sollte der Winkel T der Tangente an die Hinterkante der Unterseite des vorderen Profils mit der Sehne cl des vorderen Profils größer sein als der Winkel T der Tangente an die Oberseite des hinteren Profils am Spaltaustritt mit derselben Sehne e1.

Claims

Patentansprilche: 1. Spaltschaufel von nicht laminarem Profil für Strömungsmaschinen mit axialer Durchströmungsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Spaltaustritts an der Schaufeloberseite um 5 bis 7% der Profilsehnenlänge hinter derjenigen Stelle gewählt ist, an der beim Profil der spaltlosen Schaufel. gleicher Dicke, Dickenrücklage, Profilsehnenlänge und Anstellung der Druckanstieg am steilsten ist oder zu sein beginnt und daß die Weite (s) des Spaltaustritts gleich ist der Summe aus der 1,0- bis 1,66fachen Dicke (t2) der Grenzschicht auf der Oberseite des vorderen Profils an dessen Hinterkante, der Dicke (t1) der Grenzschicht auf der Unterseite des vorderen Profils an dessen Hinterkante und der Dicke (t3) der Grenzschicht auf der Oberseite des hinteren Profils an der Stelle des Spaltaustritts.
2. Spaltschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberlappung (ü) von vorderem und hinterem Profil etwa 0,5 bis 5% der Länge der Sehne der Spaltschaufel beträgt (F i g. 2).
3. Spaltschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die überlappung (ü) von der Schaufelspitze zum Schaufelfuß anwächst.
4. Spaltschaufel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (T) der Tangente an die Hinterkante der Unterseite des vorderen Profils mit der Sehne (cl) des vorderen Profils größer ist als der Winkel (T3) der Tangente an die Oberseite des hinteren Profils am ,Spaltaustritt mit derselben Sehne (F i g. 3). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 390 486, 443 163, 493 436, 613 838, 627 148; USA: Patentschrift Nr. 2 314 572; Zeitschrift: »Transactions of the ASME«, 1956, S. 1683 bis 1690; Buch von E c k e r t, »Axialkompressoren und Radialkompressoren«, 1953, S. 14; 99 und 101 bis 103; Buch von D u b s, »Aerodynamik«, 1954, S. 155 und 156; Buch von S c h 1 i c h t i n g, »Grenzschichttheorie«, Ausgabe 1951, S. 23 bis 25; Ausgabe 1958, S. 388 und 389; Buch von B a c k, »Ventilatoren«, 1955, S. 154; Buch von v. d. N u e 11 - G a r v e, »Kreiselpumpen und -verdickter«, 1957, S. 110.