DE2113514B2

DE2113514B2 - Überschall-Axialverdichter mit einem zylindrischen oder konischen divergierenden die Einlauföffnung hinten verlängernden Körper

Info

Publication number: DE2113514B2
Application number: DE2113514A
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Bourg-la-Reine Friberg; Pierre Paris Maginot; Jean-Marie Palaiseau Merigoux
Original assignee: Alcatel CIT SA; Compagnie Industrielle de Telecommunication CIT Alcatel SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1970-03-23
Filing date: 1971-03-19
Publication date: 1981-06-04
Also published as: DE2113514C3; NO138226B; US3724968A; NO138226C; FR2083742A5; DE2113514A1; SE376276B; GB1299686A

Description

Andererseits ist bekannt, daß eine Strömung mit mehrfachen schrägen Stoßen in ihrer Auswirkung in schlecht vorausberechnet werden kann. Es stellen sich Gefahren im Abreißen der Grenzschicht entweder an den Stellen, wo die schrägen Stoßwellen reflektiert werden oder längs der Profile ein, was zu — wenn auch geringen — Abweichungen der Richtung der Strömung wesentlichen gerade Stoßwellen bilden, dadurch _r, führt, was dann zu Überschall-Axialkompressoren mit gekennzeichnet, daß die Durchtrittsquer- senkrechten Stoßwellen geführt hat.
schnitte der Kanäle zwischen den Schaufeln des

1. Überschall-Axialverdichter mit einem zylindrischen oder konischen divergierenden die Einlauföffnung hinten verlängernden Körper, einer bezüglich der Verdichterachse symmetrischen Kalotte, die mit einer Einlauföffnung und dem zylindrischen oder konischen Körper einen Ringkanal bildet, mit wenigstens einem Laufrad mit dünnen Umlenkschaufeln, welches auf einer axialen Antriebswelle gelagert ist und mit feststehenden Schaufeln hinter dem Laufrad zur teilweisen Umsetzung der kinetischen Energie des Fluids in Druck, wobei die Kanäle der Laufräder und Leiträder den Sitz für im

Laufrads (5? konvergent vom Eintritt zum Austritt und die Durchtrittsquerschnitte der Kanäle zwischen den feststehenden Schaufeln (10; 11) divergent vom Eintritt zum Austritt ausgebildet sind; daß der Schaufelwinkel der Schaufel (8) im Bereich der Anströmkante (14) mit der Strömungsrichtung des Fluids (12) etwa 10° beträgt und daß der Krümmungsradius des Profils der Anströmkanten der feststehenden Schaufeln (10; 11) und Laufschaufeln (8) etwa 0,5% der Sehne der Schaufel beträgt.

2. Überschau-Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Winkel zwischen der Tangente in jedem Punkt des Profils der Schaufeln und einer Bezugsrichtung derart sind, daß das Produkt der Verhältnisse der Relativgeschwindigkeit des Fluids gegenüber den Schaufeln zur kritischen Schallgeschwindigkeit in diesem Fluid am Eintritt sowie am Austritt jeder Stufe der Beschaufelung nahe der Einheit liegt.

Die Erfindung betrifft einen Überschall-Axialverdichter mit einem zylindrischen oder konischen divergierenden die Einlauföffnung hinten verlängernden Körper, einer bezüglich der Verdichterachse symmetrischen Kalotte, die mit der Einlauföffnung und dem zylindrischen oder konischen Körper einen Ringkanal bildet, mit wenigstens einem Laufrad mit dünnen Umlenkschaufeln, welches auf einer axialen Antriebswelle gelagert ist und mit feststehenden Schaufeln hinter dem Laufrad zur teilweisen Umsetzung der kinetischen Energie des Fluids in Druck, wobei die Kanäle der Laufräder und Leiträder den Sitz für im wesentlichen gerade Stoßwellen bilden.

Vorweg seien einige Begriffe definiert: unter einem geraden Stoß ist ein senkrechter Verdichtungsstoß, d. h. der Stoß steht senkrecht zur Strömungsrichtung, zu verstehen, wobei die Überschallgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit reduziert wird. Im Laufrad wie auch im Leitrad können zugleich gerade Verdichtungsstöße auftreten (Journal of Basic Engineering, Dezember 1959, Seite 561, Bild 4 B).

Das Verständnis des Fachmanns geht dahin, daß hinter einem senkrechten Verdichtungsstoß (gerade Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überschall-Axialkompressor vorzuschlagen, der erhöhte Verdichtungsverhältnisse bei einer verminderten Anzahl von Stufen liefert und dabei auch einen ausgezeichneten energetischen Wirkungsgrad gewährleistet.

Erreicht wird dies überraschend dadurch, daß die Durchtrittsquerschnitte der Kanäle zwischen den rs Schaufeln des Laufrads konvergent vom Eintritt zum Austritt und die Durchtrittsquerschnitte der Kanäle zwischen den feststehenden Schaufeln divergent vom Eintritt zum Austritt ausgebildet sind; daß der Schaufelwinkel der Schaufel im Bereich der Anström- v) kante mit der Strömungsrichtung des Fluids etwa 10° beträgt und daß der Krümmungsradius des Profils der Anströmkanten der feststehenden Schaufeln und Laufschaufeln etwa 0,5% der Sehne der Schaufel beträgt

J5 Wenn nach der Erfindung im Rotor der Querschnitt der Zwischenkanäle nicht mehr divergent sondern konvergent ist, so führt dies bei Überschallströmung dazu, daß die Strömungsgeschwindigkeit beim Durchströmen des Kanals verlangsamt wird und der

4i,' senkrechte Verdichtungsstoß nur in der Nähe der Abströmkante auftritt: während beim diskutierten Stand der Technik die Machzahl erhöht, die Verluste während des Stoßes groß sind, ist diese Machzahl bei Durchströmen des Rotors bei der Maßnahme nach der

4^r, Erfindung vermindert und ist vor dem geraden Verdichtungsstoß nur geringfügig supersonisch. Darum sind auch die Verluste über den Verdichtungsstoß gering.

Wenn bisher der Verlangsemungseffekt nachgesucht

wurde, wurde als Lösung hierfür eine Konvergenz des Rotorkanals aufgrund einer Verdickun? der Abströmkante der Schaufeln genannt: die Ergebnisse waren aber wegen der Dicke der Abströmkante hinsichtlich der Folgeströmung schlecht. Weiterhin versuchte man, eine Konvergenz-Divergenzströmung im Rotorzwischenschaufelraum zu schaffen. Die Erfahrung zeigt aber allgemein, daß die Stoßwelle sich geringfügig als Funktion der Änderungen der Drehzahl der Maschine verschiebt und nicht auf die engste Stelle festgelegt

werden kann.

Für den Fachmann war die Lösung nach der Erfindung also abwegig, da nach seiner Auffassung die Stoßwelle an der Anströmkante sich eingestellt hätte und wenn nicht ein senkrechter, so dann wenigstens ein

Stoßwelle) die Druckrückgewinnung in einem divergenten Kanal vorgenommen wird. Diese Verhältnisse 65 schräger Verdichtungsstoß sich eingestellt hätte,
finden sich im »Journal of Basic Engineering« nicht nur Für die Maßnahme nach der Erfindung genügte es
im Stator (Diffusor) sondern auch im Rotor. Am also, daß die am Eintritt befindliche Stoßwelle nur eine
angegebenen Ort liegt der senkrechte Verdichtungsstoß leichte Stoßwelle war, die sich so wenig wie möglich

anpaßt; möglich wurde dies durch den geringen Anströmwinkel und eine dünne Anströmkante, d. h. eine Anströmkante mit geringem Krümmungsradius.

Überraschend waren auch die ausgezeichneten Ergebnisse sowie die Tatsache, daß sich die senkrechten Verdichtungsstöße tatsächlich benachbart der Abströmkante einstellten.

Der Anstellwinkel zwischen den Schaufeln, nämlich den festen und den beweglichen, sowie der Strömungsrichtung des Fluids bleibt relativ gering.
Die Durchuiitsquerschnitte der Kanäle zwischen den Schaufeln sind nicht konvergent für die festen Schaufein und sind nicht divergent für die Laufschaufeln. Das Anströmprofil der Schaufeln, d. h. der festen sowie der beweglichen, ist mit einem geringen Krümmungsradius abgerundet Die Kanäle zwischen den feststehenden Schaufeln sind ausreichend kurz und divergent, damit hier im wesentlichen gerade Stoßwellen auftreten können. Die Kanäle zwischen den Schaufeln des Laufrades können kurz und konvergent sein, damit hier im wesentlichen ebenfalls gerade Stoßwellen auftreten.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die aufeinanderfolgenden Winkel zwischen der Tangente in jedem Punkt des Profils der Schaufeln und einer Bezugsrichtung derart, daß das Produkt der Verhältnisse der Relativgeschwindigkeit des Fluids gegenüber den Schaufeln zur kritischen Schallgeschwindigkeit in diesem Fluid am Eintritt sowie am Austritt jeder Stufe der Beschaufelung nahe der Einheit liegt.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen kurz erläutert werden. Hierbei zeigt

F i g. 1 einen Verdichter schematisch im Schnitt;

Fig.2 die Schaufelprofile von Leitapparat, Laufrad und Gleichrichterstufe des Verdichters; und

F i g. 3 ein Detail zweier benachbarter Schaufeln des Laufrades.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Überschall-Axialverdichter ist von geringer Strömungsdun-htrittshöhe, die etwa 15% des mittleren Radius beträgt. Der Verdichter umfaßt ein Ringeinlaufgehäuse 1 zylindrischer Gestalt sowie ein zylindrisches Gehäuse 2. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Mantelform von konischer Gestalt sein. Eine axiale Kalotte begrenzt mit dem Einlaufgehäuse und dem Gehäuse den für die zu verdichtende Luft zur Verfügung stehenden Kanal. Eine mit einem nicht dargestellten Motor verbundene Welle 4 treibt das Laufrad 5 an. Am Ende des Einlaufs des zylindrischen Gehäuses lenkt ein Leitapparat 6 mit feststehenden Schaufeln den Luftstrom in die Drehrichtung des Laufrades, derart, daß die relative Überschailgeschwindigkeit des Fluids bezüglich der Laufschaufeln 8 des Rades 5 in vernünftigen Grenzen (in der Größenordnung von Mach 1,5) gehalten wird. Die feststehenden Schaufeln 10 und 11 des gleichrichtenden Leitrades 9 diener, dazu, die Geschwindigkeit der

ίο verdichteten Luft bis auf einen Wert in der Größenordnung von 0,25 Mach zu vermindern.

Die beiden Schaufeln 8 und 8Λ des in Fig.3 dargestellten Laufrades 5 haben einen Schaufelwinkel, der einen Winkel von 10° mit der Anströmrichtung der Eintrittsluft bildet Sie bilden miteinander einen Kanal 13 abnehmenden Durchtrittsquerschnittes. Die Anströmkante 14 einer Schaufel besitzt einen geringen Krümmungsradius, beispielsweise 03 mm für eine Schaufei, deren Sehne 65 mm groß ist. Bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades von 530 m/sec. tritt die Luft bei einer Relativgeschwindigkeit von 1,35 Mach zwischen die Schaufeln des Laufrades. Die Umlenkung der Luft beim Durchsetzen des Laufrades beträgt 30°. Die Relativgeschwindigkeit der Luft am Austritt aus dem Rad liegt bei 0,75 Mach. Bezogen auf den nachfolgenden Diffusor, beträgt sie 1,22 Mach. Das globale Verdichtungsverhältnis, das als das Verhältnis der statischen bei einer Geschwindigkeit von 0,25 Mach gemessenen Drücke im abströmseitigen Kanal 15 und

jo im anströmseitigen Kanal 16 des Verdichters definiert ist, liegt bei 24- Der adiabatische Wirkungsgrad der vollständigen Stufe bei diesem Verdichtungsverhältnis liegt höher als 0,85. Zum Vergleich: ein Unterschall-Verdichter mit einer einzigen Stufe würde nur ein

j5 Verdichtungsverhältnis kleiner als 1,5 für einen analogen Wirkungsgrad ergeben.

Die Durchtrittsquerschnitte der Kanäle zwischen den Schaufeln des Laufrades 5 sind also konvergent vom Eintritt zum Austritt und die Durchtrittsquerschnitte der Kanäle zwischen den feststehenden Schaufeln 10; 11 sind divergent vom Eintritt zum Austritt ausgebildet. Der Schaufelwinkel der Schaufel 8 im Bereich der Anströmkante 14 mit der Strömungsrichtung des Fluids 12 beträgt etwa 10°; der Krümmungsradius des Profils der Anströmkanten der feststehenden Schaufeln 10; 11 und Laufschaufeln 8 etwa 0,5% der Sehne der Schaufel.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

in den Laufschaufelkanälen benachbart der Einströmkante des Laufrades; daraus muß der Fachmann selbstverständlich schließen, daß die Entwicklung des Kanalquerschnitts hinter dieser Stoßwelle notwendigerweise divergent sein muß; eine Konvergenz nach der Stoßwelle wäre für ihn unverständlich, da dadurch die Geschwindigkeit ja nech erhöht würde.