DE3731902A1

DE3731902A1 - Fluegelgitter fuer gasfoermige stroemungsmittel

Info

Publication number: DE3731902A1
Application number: DE19873731902
Authority: DE
Inventors: Mario Haeusler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1987-09-23
Filing date: 1987-09-23
Publication date: 1989-04-06

Description

Die Erfindung betrifft ein Flügelgitter zur Druckänderung des axial anströmenden gasförmigen Mediums einer Turbomaschine. Insbesondere handelt es sich dabei um Kraftmaschinen (Turbinen) und Arbeitsmaschinen (z. B. Verdichter).

Die Flügel bestehen in herkömmlicher Weise durchwegs aus Platten von besonderem Profil, nämlich mit guten c _A- und c _W-Werten, sind also "Schaufeln", welche die Strömung in gewünschter Weise umlenken. Die jeweils erreichbare Druckänderung an einer solchen Schaufelstufe, das "Stufendruckverhältnis", ist durch die bei einer bestimmten großen Berührungsgeschwindigkeit eintretende Grenzschichtablösung und insbesondere durch die zuerst an den Schaufelspitzen eintretende Schallgeschwindigkeit begrenzt. Nachteilig ist ferner der hohe Her stellungspreis von solchen aufwendigen, im allgemeinen räumlich ge krümmten Profilen.

Aufgabe der Erfindung ist, ein axial angeströmtes Flügelgitter von einfacher, billig herzustellender From aufzuzeigen, das brauchbare Werte von Stufendruckverhältnis und Wirkungsgrad ergibt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die einzelnen Flügel als wal zenförmige Rotationskörper ausgebildet sind, deren Rotationsachse radial zur Turbomaschinenachse ausgerichtet sind und die zur Energieum wandlung mittels Magnus-Effekt vorgegeben sind.

Flügel von zylindrischer oder kegeliger Form sind mit einfachen Mitteln billig herstellbar; wegen ihrer rotationssymmetrischen Querschnittsform ergeben sich keine Festigkeitsprobleme. Die erwünschte große Druckän derung am Flügel erbringt nur bei hohem Schnelläufigkeitswert einen guten Wirkungsgrad. Dieser Bereich kann durch Ausbildung der Flügel mit nach außen kegelig verjüngter Form erheblich erweitert werden. Da es sich bei mit solchen Flügeln ausgestatteten umlaufenden Gittern wegen des hohen c _A-Werts von etwa 9 um ausgesprochene Langsamläufer handelt, treten insgesamt kaum Festigkeitsprobleme auf und ist auch der Drehantrieb der Flügel leicht beherrschbar. Bei gleicher Druckzahl ist die Umfangsgeschwindigkeit eines erfindungsgemäßen Flügelgitters geringer als die eines herkömmlichen Schaufelrads; oder, anders ausge drückt, bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit ist diese Druckzahl beim erfindungsgemäßen Flügelgitter höher als beim herkömmlichen Schaufel rad.

Der angeführte "Magnus-Effekt", nach dem ein in Drehung versetzter rotationssymmetrischer Körper, der senkrecht zu seiner Längsachse von einem Gas, z. B. Umgebungsluft, angeströmt wird, durch Wandreibung eine senkrecht zu seiner Längsachse und senkrecht zur Anströmrichtung ge richtete Querkraft erfährt, ist bisher nur zum Windantrieb von Fahr zeugen, vor allem von Schiffen ("Flettner-Rotor", DE-OS 24 30 630, DE- PSen 31 23 287 und 31 45 362), zur Auftriebssteigerung an Flugzeug- Tragflügeln (DE-PSen 4 74 719, 4 92 550, 5 85 563, 5 90 004, 6 07 840, 6 13 539 und 6 42 106; DE-ASen 10 33 039 und 12 51 162) oder zur Wind steuerung von Luft- und Wasserfahrzeugen (DE-PS 7 24 796) verwendet wor den.

Nach der Erfindung werden die bisher allein verwendeten "Schaufeln", also die mit einem besonderen Profil ausgebildeten Platten, durch nach dem Magnus-Effekt arbeitende rotationssymmetrische in Drehung ver setzte Körper ersetzt. Wenn ein drehbares Gitter mit derartigen Flügeln dem Druckabfall eines durchströmenden Gases ausgesetzt ist, wie es bei einer mechanisches Drehmoment abgebenden Turbine der Fall ist, so wirkt es als umlaufendes Beschleunigungsgitter wie ein herkömmliches Turbi nenschaufelrad; so geht auch hier die Flügel tragende Rotornabe in eine Drehmoment abgebende Abtriebswelle über.

Wenn ein Gitter mit derartigen Flügeln nach Anspruch 5 umlaufend ange trieben wird, wie es bei einem mechanisches Drehmoment verbrauchenden herkömmlichen Verdichter der Fall ist, so wirkt es als umlaufendes Verzögerungsgitter wie ein herkömmliches Verdichterschaufelrad, das den Druck des anströmenden Gases, vorzugsweise Umgebungsluft, steigert; so geht auch hier die Flügel tragende Rotornabe in eine Drehmoment ver brauchende Antriebswelle über. Ein solches umlaufendes Verzögerungs gitter kann nach Anspruch 4 beispielsweise als Ventilator, als Ver dichter vorzugsweise für Strahltriebwerke oder als Zug-, Schub- oder Hubpropeller eines Flugzeugs verwendet werden.

In bevorzugter Ausführungsform kann die Abtriebs- bzw. Antriebswelle des Gitters über ein im Stator gelagertes Getriebe und ggfs. über eine Zapfwelle mit den Flügeln in Antriebsverbindung stehen. Die zur Drehung der Flügel erforderliche Antriebsleistung beträgt im allgemeinen höchstens 5% der Leistung an der Abtriebs- bzw. Antriebswelle, ist also durchaus tragbar. Vorzugsweise können die Flügel aber auch einen eigenen, ggfs. drehzahlregelbaren Drehantrieb aufweisen, der z. B. ein Elektro- oder Pneumatikmotor, aber auch ein an der Flügelendscheibe angebrachtes Antriebsprofil sein kann.

Schließlich kann das erfindungsgemäß ausgebildete Flügelgitter auch als nichtrotierendes, also stehendes Leit- und Umlenkgitter an Strömungs maschinen verwendet werden; die Flügel sind dann selbstverständlich an einem umhüllenden Statorteil um ihre Längsachse drehbar gelagert und werden in ähnlicher Weise, wie vorstehend beschrieben, angetrieben.

Die Erfindung kann nicht nur bei gasförmigen Strömungsmitteln, wie beschrieben, sondern auch bei Flüssigkeiten Anwendung finden.

Die Erfindung wird nachfolgend noch an Hand einer Zeichnung beispiels weise weiter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein umlaufendes Gitter mit zylindrischen Flügeln, die über ein einfaches Getriebe angetrieben werden;

Fig. 2 einen nach außen zu kegelig verjüngten Flügel;

Fig. 3 ein umlaufendes Gitter, dessen Flügel über ein im Stator ge lagertes Getriebe angetrieben werden und

Fig. 4 ein umlaufendes Gitter mit stehendem Nachleitgitter, jeweils mit drehbaren Flügeln, und zwar durchwegs im Längsschnitt einer Strömungsmaschine.

Nach Fig. 1 sind an der Rotornabe 1 einer Strömungsmaschine zylindrische Flügel 2 mit Endscheiben 3 um ihre radial liegenden Längsachsen 2′ drehbar gelagert. Sie tragen im Rotorinneren je ein Kegelrad 4 a, das sich an einem im Stator 7 befestigten gemeinsamen Kegelrad 4 b abstützt. Durch Drehung der mit der Rotornabe verbundenen Abtriebs- bzw. Antriebswelle 5 werden die Flügel somit in festem Verhältnis in Drehung versetzt.

Fig. 2 zeigt das Gitter mit nach außen zu kegelig verjüngten Flügeln 2 a.

Nach Fig. 3 werden die Flügel über die Kegelräder 4 a, 4 b, eine mit der Abtriebs- bzw. Antriebswelle 5 verbundenen Zapfwelle 6 und ein ggfs. drehzahlverstellbares Getriebe 8 in Drehung versetzt.

Nach Fig. 4 ist einem in der Rotornabe 1 drehbar gelagerten Flügelum laufgitter 2 ein im Stator 7 drehbar gelagertes Flügelgitter 9 zwecks Umlenkung und Energieumsetzung nachgeschaltet.

Claims

1. Flügelgitter zur Druckänderung des axial anströmenden gasförmigen Mediums einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die ein zelnen Flügel (2, 2 a) als walzenförmige Rotationskörper ausgebildet sind, deren Rotationsachse radial zur Turbomaschinenachse ausge richtet sind und die zur Energieumwandlung mittels Magnus-Effekt vorgesehen sind.

2. Flügelgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel radial nach außen kegelig verjüngende Form haben.

3. Flügelgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel im radial inneren Bereich zylindrisch, im radial äußeren Bereich kegelig verjüngend ausgeführt sind.

4. Flügelgitter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als umlaufendes Beschleunigungsgitter für das unter Druckabfall durchströmende Gas an einer mechanisches Drehmoment abgebenden Tur bine, insbesondere eines Strahltriebwerks, verwendet wird, wobei die Rotornabe (1) in eine Drehmoment abgebende Antriebswelle (5) über geht.

5. Flügelgitter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als umlaufendes Verzögerungsgitter für ein mechanisches Drehmoment verbrauchende, den Druck des anströmenden Gases, vorzugsweise Umge bungsluft, steigende Arbeitsmaschine verwendet wird, wobei die Rotornabe (1) in eine Drehmoment verbrauchende Antriebswelle (5) übergeht.

6. Flügelgitter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ar beitsmaschine ein Ventilator, ein Verdichter, insbesondere eines Strahltriebwerks, oder der Zug-, Schub- oder Hubpropeller eines Flugzeugs ist.

7. Flügelgitter nach einem der Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeich net, daß die Abtriebs- bzw. Antriebswelle (5) über ein im Stator (7) gelagerts Getriebe (4) mit den Flügeln (2, 2 a) in Antriebsverbindung steht.

8. Flügelgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die Flügel (2, 2 a) einen eigenen Drehantrieb aufweisen.

9. Flügelgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als stehendes Leitgitter an Strömungsmaschinen verwendet wird.