DE2555200B2

DE2555200B2 - Axial compressor blade with a leading edge that is swept backwards

Info

Publication number: DE2555200B2
Application number: DE19752555200
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. 4200 Oberhausen Griepentrog
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Current assignee: GRIEPENTROG, HARTMUT, PROF. DR.-ING., 1000 BERLIN,
Priority date: 1975-12-09
Filing date: 1975-12-09
Publication date: 1978-05-11
Also published as: FR2334855A1; DE2555200A1; BR7607989A; IT1064545B; JPS5270407A; CH616991A5; DE2555200C3; FR2334855B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialverdichterschaufel mit einer nach rückwärts gepfeilten Vorderkante.The invention relates to an axial compressor blade with a rearwardly swept leading edge.

Es ist bekannt, in Axialverdichtern rückwärts, d.h. in Stromrichtung, gepfeilte Schaufeln einzusetzen (siehe beispielsweise US-PS 3989406). Diese Schaufeln weisen auch bei großen Strömungsgeschwindigkeiten, d.h. dann, wenn die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Vorderkante die Machzahl 1 überschreitet, gute aerodynamische Werte auf. Jedoch hat sich gezeigt, daß bei den bekannten Schaufeln der stabile Betriebsbereich sehr eng ist.It is known to use backward swept blades in axial compressors, i.e. in the direction of flow (see, for example, U.S. Patent 3,989,406). These shovels show even at high flow velocities, i.e. when the velocity component exceeds Mach number 1 perpendicular to the leading edge, has good aerodynamic values. However It has been found that the stable operating range is very narrow in the known blades.

Zwar ist versucht worden, eine kontrollierte Strömung auch bei im Bereich der Schallgeschwindigkeit arbeitenden Verdichterschaufeln zu erzielen. So ist aus der DT-OS 1 903 642 eine Rotorschaufelung bekannt, bei der das Schaufelblatt in einem inneren Teil vorwärts und in einem äußeren Teil rückwärts geneigt ist. Die Gestaltung der Schaufel ist auf die Komponenten der wirkenden Flieh- und Strömungskräfte abgestimmt. Bei der bekannten Schaufel bilden sich jedoch auch unkontrollierte Strömungsverhältnisse aus, wenn die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Vorderkante die Machzahl 1 überschreitet. Unkontrollierte Verhältnisse bilden sich auch dann aus, wenn ein bestimmter Anströmwinkel überschritten wird.Attempts have been made to achieve a controlled flow even at in the range of the speed of sound to achieve working compressor blades. For example, a rotor blade is known from DT-OS 1 903 642, in which the airfoil is inclined forward in an inner part and backward in an outer part is. The design of the blade is matched to the components of the acting centrifugal and flow forces. With the known shovel, however, uncontrolled flow conditions also develop, when the velocity component perpendicular to the leading edge exceeds Mach number 1. Uncontrolled Conditions also develop when a certain angle of attack is exceeded.

Demgegenüber stellt sich die Aufgabe, das bei rückwärts gepfeilten Verdichterschaufeln auftretende unkontrollierte Abreißen der Strömung an den Vorderkanten der Schaufeln zu sehr geringen Ansaugvolumina zu verschieben.On the other hand, there is the problem of that which occurs when the compressor blades are swept backwards uncontrolled disruption of the flow at the leading edges of the blades to very low suction volumes to move.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem zur Bildung eines stabilen Vorderkantenwirbels die schräge Vorderkante der Axialverdichterschaufel angeschärft ist.This object is achieved by the inclined leading edge to form a stable leading edge vortex the axial compressor blade is sharpened.

Durch die Anschärfung der Vorderkante wird erreicht, daß sich ein stabiler Vorderkantenwirbel ausbildet. Dieser Wirbel verdünnt die Grenzschicht auf der Drjck- und Saugseite der Schaufel. Damit wird der Arbeitsbereich der Schaufel erweitert. Höhere Anströmgeschwindigkeiten werden bewältigt und die sogenannte Pumpgrenze bei gleichem Verdichtungsverhältnis auf niedrigere Durchsätze erweitert.By sharpening the leading edge it is achieved that a stable leading edge vortex is formed. This vortex thins the boundary layer on the pressure and suction side of the blade. So that will the working range of the shovel is expanded. Higher flow velocities are managed and the So-called surge limit extended to lower throughputs with the same compression ratio.

Aus der nichtlinearen Tragflügeltheorie (s. z.B. SCHLICHTING/TRUCKENBRODT, Aerodynamik des Flugzeuges, 2. Band, Seite 75-77, Springer-Verlag, Berlin, 1960) ist das Phänomen der Wirbelausbildung an angeschärften Flügelkanten an sich bekannt. Versuchsergebnisse haben gezeigt, daß für Flügel von kleinem Seitenverhältnis die aerodynamischen Beiwerte (insbesondere Auftriebsbeiwert c_a) stark abhängig sind von der Ausbildung der Flügelvorderkante. So kann bei Pfeil- und Deltaflügeln eine lokale Ablösung verursacht werden, die zur Ausbildung eines freien Wirbelpaares führt.The phenomenon of vortex formation on sharpened wing edges is known per se from non-linear wing theory (see, for example, SCHLICHTING / TRUCKENBRODT, Aerodynamik des Flugzeuges, Volume 2, pages 75-77, Springer-Verlag, Berlin, 1960). Test results have shown that the aerodynamic coefficients (especially the lift coefficient c _a ) for wings with a small aspect ratio are strongly dependent on the design of the wing leading edge. This can cause a local separation in arrow and delta wings, which leads to the formation of a free vortex pair.

Für die bei einem Axialverdichter angewandte Form der angeschärften Schaufelkante gelten diese experimentellen Befunde ebenfalls. Allerdings ist die Technik auf dem Gebiete der Axialverdichte·- bei der Ausbildung der Schaufeln andere Wege gegangen und ^r> hat sich die Erkenntnisse der Tragflügel-Theorie nur teilweise zu eigen gemacht. Möglicherweise erschien der Fachwelt die Theorie des freien, gepfeilten Flügels nicht auf die Verhältnisse eines sich in einem geschlossenen Gehäuse bewegenden Schaufelrades übertragbar. These experimental findings also apply to the shape of the sharpened blade edge used in an axial compressor. However, the art in the field of Axialverdichte · - gone other ways in the formation of the blades and ^r> has taken the findings of the wing theory only partially own. It is possible that experts did not consider the theory of the free, swept-back wing to be transferable to the conditions of a paddle wheel moving in a closed housing.

Theorie und Praxis der aerodynamischen Vorgänge bei Einzelflügeln und Schaufeln an umlaufenden Rotoren von Axialverdichtern ergeben dadurch in erster Linie unterschiedliche Ergebnisse, da bei letzteren die Rotoren innerhalb eines Gehäusemantels umlaufen, der die Strömungsverhältnisse maßgebend beeinflußt. Die an den Schaufelvorderkanten entstehenden Wirbel werden an der Gehäusewand »gespiegelt«, d.h. im wesentlichen zurückgeworfen, so daß es zu komplizierten Wechselwirkungen der Wirbel untereinander komm t. Es läßt sich daher die Erkenntnis, die an freien Flügeln gewonnen wird, nicht ohne weiteres auf Axialverdichter übertragen.Theory and practice of aerodynamic processes in single blades and blades on rotating rotors of axial compressors result primarily in different results, since the latter the Rotors revolve within a casing shell, which has a decisive influence on the flow conditions. The eddies that arise at the leading edges of the blades are "mirrored" on the casing wall, i.e. essentially thrown back, so that there are complicated interactions between the vertebrae comes. The knowledge that is gained from free wings cannot therefore be opened up without further ado Axial compressor transferred.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigtThe invention is explained with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 einen Teil der Axialverdichterschaufeln auf der Rotorwelle mit den sich ausbildenden Wirbeln,1 shows a part of the axial compressor blades on the rotor shaft with the vortices being formed,

Fig. 2 zwei verschiedene Schaufelformen (in Seitenansicht), oei denen die Erfindung verwirklicht ist, so Fig. 3 das Verhältnis π von Ansaug- und Ausgangsdruck, aufgetragen über den Durchsatz des Axialverdichters,FIG. 2 shows two different blade shapes (in side view), oei which the invention is implemented, so FIG. 3 shows the ratio π of intake and outlet pressure, plotted over the throughput of the axial compressor,

Fig. 4 den Auftriebsbeiwert c_a in Abhängigkeit vom Anströmwinkel α bei verschiedenen Vorderkan-J5 tenausbildungen:Fig. 4 shows the lift coefficient c _a as a function of the angle of attack α for various leading edge J5 designs:

gestrichelt (A... B): Stand der Technik;dashed lines (A ... B): state of the art;

durchgezogen (A'...B¹): gemäß Erfindung.solid (A '... B ¹ ): according to the invention.

In Fig. 1 ist ausschnittsweise ein Rotor 10 eines Axialverdichters dargestellt. Der Rotor ist bestückt mit zahlreichen Schaufeln 11, die zusammen mit dem Rotor innerhalb eines (durch eine gestrichelte Linie) angedeuteten Gehäuses 12 umlaufen. Die Umlaufrichtung ist durch einen Pfeil definiert.1 shows a section of a rotor 10 of an axial compressor. The rotor is equipped with numerous blades 11, which together with the rotor within a (by a dashed line) indicated housing 12 revolve. The direction of rotation is defined by an arrow.

Die Vorderkante 1 der Schaufel ist derartig angeschärft, daß die Strömung an ihr abreißt und einen Wirbel 3 bildet. Dieser Wirbel wird innerhalb weiter Arbeitsbereiche des Verdichters gebildet. Auftrieb und daraus resultierend die Umfangskraft der Schaufel werden dadurch auch für höhere Anströmgeschwindigkeiten verbessert gegenüber dem Stand der Technik.The front edge 1 of the shovel is sharpened in such a way that that the flow breaks off at it and forms a vortex 3. This vortex will continue within Compressor working areas formed. Buoyancy and the resulting peripheral force of the blade are thereby also improved for higher flow velocities compared to the prior art Technology.

Da der Wirbel Grenzschichtmaterial sowohl von der Druck- als auch von der Saugseite anzieht, wird die verbleibende Grenzschicht auf der Schaufeloberfläche verdünnt und damit die Gefahr des Ablösens der Strömung auf der Schaufel vermindert. Stabilisiert wird außerdem der laminare Strömungsanteil 4. Durch die Ausbildung des Wirbels 3 an der Vorderkante 1 wird weiterhin ein Wirbel an der Außenbo kante 5 erzeugt, der in diesem Bereich ebenfalls für eine Stabilisierung der Strömungsverhältnisse sorgt.Since the vortex attracts boundary layer material from both the pressure and the suction side, will the remaining boundary layer on the blade surface is thinned and with it the risk of detachment the flow on the blade is reduced. The laminar flow component 4 is also stabilized. The formation of the vortex 3 on the leading edge 1 continues to be a vortex on the outer boom edge 5 is generated, which also ensures a stabilization of the flow conditions in this area.

Aus Fig. 1 ist ferner die Fläche der Außenkante 5The area of the outer edge 5 is also shown in FIG. 1

zu erkennen. Im Bereich der Vorderkante 4 ist diese angeschärft, d.h. entsprechend der Lehre der nichtlinearen Tragflügel-Aerodynamik so gestaltet, daß Strömungsablösungen verursacht werden.to recognize. This is sharpened in the area of the front edge 4, i.e. in accordance with the teaching of the non-linear Wing aerodynamics designed to cause flow separation.

Fig. 2a/b zeigen mögliche Gestaltungen der Verdichterschaufel in Seitenansicht. Die Vorderkante 12a / b show possible designs of the compressor blade in side view. The front edge 1

ist jeweils stark nach rückwärts gepfeilt. Wenn die Anströmgeschwindigkeit M sich im Überschallbereich befindet, so ist die für das aerodynamische Verhalten der Schaufel bestimmende Komponente M' kleiner als Machzahl 1, befindet sich also im Unterschallbereich. is strongly swept backwards. If the flow velocity M is in the supersonic range, then the component M ' which determines the aerodynamic behavior of the blade is less than Mach number 1, that is to say it is in the subsonic range.

Hierbei liegt die senkrecht zur Kante 2 stehende Austrittsgeschwindigkeitskomponente M' ebenfalls im Unterschallbereich, während die Meridiankomponente größer als Mach 1 ist. Hierdurch wird die mögliche Verlustenergie gegenüber der ungepfeilten Kante 2 gemäß Fig. 2a verringert.Here, the exit velocity component M ' perpendicular to the edge 2 is also in the subsonic range, while the meridian component is greater than Mach 1. This reduces the possible energy loss compared to the unearthed edge 2 according to FIG. 2a.

Fig. 3 zeigt einen Vergleich der Ergebnisse zwischen einer Beschaufelung üblicher Art (Kurve 20) und gemäß Erfindung (Kurve 30). Die Kurven sind aufgetragen als Druckverhältnis zwischen Ansaug- und Austrittsdruck über dem Durchsatz in Kubikmeter pro Stunde. Beide Kurven 20 und 30 enden an der Pump- bzw. an der Schluckgrenze. Dabei zeigt sich, daß die Pumpgrenze zu kleineren Anströmgeschwindigkeiten ohne wesentlichen Verlust an Verdichtung bei der Anordnung gemäß Erfindung verschoben ist, während die Schluckgrenze sich über den bekannten Grenzbereich nach oben verschieben läßt. Berücksichtigt sind dabei Axialverdichter vergleichbarer Bauart, jedoch mit verschieden angeschärfter Kante der Schaufeln. Die Kurven 20 bzw. 30 zeigen weiterhin, daß eine wesentlich gleichmäßigere Druck-Durchsatz-Konstanz über einen mittleren Durchsatzbereich gegeben ist.Fig. 3 shows a comparison of the results between a conventional type of blading (curve 20) and according to the invention (curve 30). The curves are plotted as the pressure ratio between intake and discharge pressure versus throughput in cubic meters per hour. Both curves 20 and 30 end the pumping or swallowing limit. This shows that the surge limit leads to lower flow velocities shifted without significant loss of compression in the arrangement according to the invention is, while the swallowing limit can be shifted upwards beyond the known limit range. Axial compressors of a comparable design, but with different sharpening, are taken into account Edge of the blades. The curves 20 and 30 further show that a much more uniform Pressure-throughput constancy is given over a medium throughput range.

Fig. 3 schließlich zeigt ein Diagramm, bei dem der Auftriebswert c_a in Abhängigkeit vom Anstellwinkel α aufgetragen ist. Während bei konventionellen Axialverdichtern und den Axialverdichtern gemäß Erfindung bei niedrigem Anstellwinkel der Auftriebsbeiwert zunächst etwa gleich ist (bis zum Punkt A, A 'der Kurve), zeigt sich ein signifikanter Unterschied bei höheien Anstellwinkeln. Während bei der Kurve des konventionellen Axialverdichters (gestrichelt) sich der Auftriebsbeiwert nach unten neigt, erhöht sich der Auftriebsbeiwert für den Axialverdichter gemäß Erfindung (durchgezogene Kurve). Die Verhältnisse ergeben sich aus den zu den Punkten A, A', B, B' zugehörigen Skizzen:Finally, FIG. 3 shows a diagram in which the lift value c _a is plotted as a function of the angle of attack α. While with conventional axial compressors and the axial compressors according to the invention at a low angle of attack the lift coefficient is initially approximately the same (up to point A, A 'of the curve), there is a significant difference at high angles of attack. While the lift coefficient tends downwards in the curve of the conventional axial compressor (dashed line), the lift coefficient for the axial compressor according to the invention increases (solid curve). The relationships result from the sketches associated with points A, A ', B, B':

A: laminare Strömung; lineares cja.-Verhalten;
A': schon bei geringen Anstellwinkeln beginnt Ablösung von Wirbeln. Im gesamten, praktisch interessierenden unteren Betriebsbereich ergibt sich eine konstante Strömungsausbildung;
B: bei konventionellen Schaufeln erfolgt Ablösung von Wirbeln im hinteren Schaufelbereich. Dadurch wird Leistung herabgesetzt;
B': bei den erfindungsgemäßen Schaufeln wird ein stabiler Kantenwirbe) durch Abreißen der Strömung an der Vorderkante 2 erzeugt. Es bildet sich ein Wirbel aus, dessen Mittelachse etwa parallel zur Kante 2 verläuft. A: laminar flow; linear cja behavior;
A ': even at low angles of attack, vortex separation begins. In the entire, practically interesting lower operating range, there is a constant flow formation;
B: With conventional blades, vortices are detached in the rear blade area. This degrades performance;
B ': in the case of the blades according to the invention, a stable eddy vortex is generated by the flow breaking off at the leading edge 2. A vortex is formed, the central axis of which runs approximately parallel to the edge 2.

Die Betrachtung des Verhaltens bei Durchlauf der Punkte A, A'bzw. B, ß'läßt den Schluß zu, daß sich im ganzen interessierenden Betriebsbereich ein stabiler Wirbel ausbildet und damit die Ablösung der Strömungauf der Schaufel verhindert. Der Arbeitsbereich der Beschaufelung wird zu kleineren Fördervolumina erweitert, wenn die Anschärfung der Vorderkante an die jeweiligen Geschwindigkeitserfordernisse entsprechend fachmännischen Kenntnissen angepaßt ist.The consideration of the behavior when passing through the points A, A 'or. B, ß 'allows the conclusion that a stable vortex is formed in the entire operating range of interest and thus prevents the flow from separating on the blade. The working range of the blading is extended to smaller conveying volumes if the sharpening of the leading edge is adapted to the respective speed requirements according to expert knowledge.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Claim:

Axial compressor blade with a backward-swept leading edge, characterized in that that the inclined leading edge (1) is sharpened to form a stable leading edge vortex (3).