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Die Erfindung bezieht sich auf eine Fan- oder
Verdichterlaufschaufel, die eine Überschalluftströmung über
wenigstens einem Teil der Schaufelspannweite hat.
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Das Auftreten einer Überschallströmung über einem Teil
einer umlaufenden Verdichter- oder Fanlaufschaufel ist eine
Erscheinung, die dem Fachmann auf dem Gebiet der
Flugzeugvortriebsystemtechnik geläufig ist. Die relative
Strömungsgeschwindigkeit ist eine Funktion der Triebwerksgondel-
oder -einlaßdurchströmungsgeschwindigkeit, der
Winkelgeschwindigkeit der umlaufenden Laufschaufel und des radialen
Abstands zwischen dem betrachteten Schaufelgebiet und der
Drehachse.
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Im Stand der Technik haben die Laufschaufelkonstrukteure
die Strömungsunterbrechung erkannt, die aus dieser
relativen Überschallströmung resultiert, und haben, insbesondere
in bezug auf die Lärmerzeugung, Schaufelvorder- und
-hinterkantenformen, die für die Überschallströmungsbedingungen
verantwortlich sind, angegeben, mit denen versucht wird,
das Auftreten von Schallstoßwellen in der Nähe derselben zu
minimieren. Eine derartige Laufschaufelkonstruktion ist in
der US-A-3 989 406 gezeigt, in der eine Laufschaufel gemäß
dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 oder 2
dargestellt ist, bei der die Vorderkante desjenigen Teils
der Laufschaufel, der
Überschallrelativluftströmungsgeschwindigkeiten ausgesetzt ist, axial vorwärts oder
rückwärts hinter einen Mach-Kegel gepfeilt ist, der in jedem
Punkt längs der Schaufelvorderkante definiert ist. Dieses
kritische Schrägstellen oder Pfeilen der
Schaufelvorderkante führt dazu, daß die Komponente der
Relativluftströmungsgeschwindigkeit, welche zu der Vorderkante der
Schaufel normal ist, eine Mach-Zahl von weniger als 1 hat und
deshalb in das Unterschallströmungsgebiet fällt. Die
Konstruktion nach der US-A-3 989 406 dient dem Zweck zu
verhindern, daß vorderkantenstoßwellen gebildet werden, um
dadurch stoßbezogene Lärmerzeugung durch die umlaufenden
Laufschaufeln zu reduzieren.
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In der US-A-3 989 406 wird das Problem der Bildung von
Druckwellen an der Ummantelungswand, die die umlaufenden
Laufschaufeln umgibt, ebenfalls angesprochen. Diese
Ummantelungswanddruckwellen treten in Wechselwirkung mit der
Luftströmung über den Schaufelspitzen und können zu einer
zweiten Stoßwelle in der Nähe der umlaufenden
Schaufelspitzen führen. In der US-A-3 989 406 sind weiter ein Verfahren
und eine Einrichtung beschrieben zum Reduzieren dieser
Ummantelung-Spitze-Wechselwirkung durch Konturieren der
Ummantelungswand längs der natürlichen Stromlinienbiegung
über der saugseitigen Oberfläche der Schaufelspitze.
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Eine ähnliche Laufschaufelkonstruktion ist in der US-A-4
012 172 offenbart, die eine lärmreduzierende
Fanlaufschaufelkonstruktion zeigt, bei der die Vorderkante der
Laufschaufel von der Schaufelnabe aus bis zu einem Punkt der
Schaufelspannweitenmitte nach vorn gepfeilt und dann zur
Schaufelspitze hin nach hinten gepfeilt ist. Die
Vorderkantenpfeilung ist für denjenigen Teil der Laufschaufel, der
Überschallrelativluftströmungsgeschwindigkeiten ausgesetzt
ist, so ausgebildet, daß sie in den Mach-Kegel der
stromaufwärts benachbarten Vorderkantenpunkte fällt, wodurch die
Überschallnormalgeschwindigkeitskomponente erzielt wird,
die in der US-A-3 989 406 angegeben ist. In der US-A-4 012
172 ist außerdem ein Verfahren beschrieben zum
Konfigurieren dieser Laufschaufeln, um innere Laufschaufelbiegungs-
und -befestigungsspannungen zu minimieren durch Abgleichen
der Schwerpunkte der aufeinanderfolgenden
Laufschaufelquersegmente um den Befestigungsradius derart, daß radiale
Kräfte, die durch die Bewegung der Laufschaufel um die
Drehachse hervorgerufen werden, im wesentlichen abgeglichen
sind.
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Schließlich zeigt auch die US-A-4 358 246 das Konturieren
einer Überschallpropfanlaufschaufel derart, daß sowohl die
Vorder- als auch die Hinterkante der Laufschaufel hinter
ihren entsprechenden Mach-Oberflächen gepfeilt sind. Die
Druckspitze, die bei bekannten Laufschaufeln durch die
hintere Welle hervorgerufen wird, wird somit zusammen mit der
daraus resultierenden Lärmerzeugung minimiert.
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Die bekannten Laufschaufelkonstruktionen, die vorstehend
erläutert sind, sind darauf gerichtet gewesen, die
Lärmerzeugung zu minimieren, zu der es im Falle von ungeeignet
konstruierten Überschallfanlaufschaufeln kommen kann. Diese
lärmreduzierenden Konstruktionen, wie es sie im Stand der
Technik gibt, sind zwar hinsichtlich des Reduzierens von
Vorder- und Hinterkantenstoßwellen effektiv, sie
berücksichtigen aber nicht das Auftreten einer starken
Druckwellenfront an der saugseitigen Oberfläche einer
Überschallaufschaufel zwischen der Vorder- und der Hinterkante. Die
Druckwellenfront ist das Ergebnis der Rekompression der
über die saugseitige Oberfläche der Fanlaufschaufel
hinweggehenden Luftströmung, wenn die lokale Luftströmung ihre
relative Beschleunigung in bezug auf die Schaufeloberfläche
beendet und an demjenigen Teil der Laufschaufel langsamer
zu werden beginnt, der stromabwärts des Punktes maximaler
Schaufelwölbung liegt.
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Wenn die Luftströmungsrelativgeschwindigkeit abnimmt,
steigt der statische Luftdruck ab dem Minimalwert an,
welcher bei der maximalen Relativluftströmungsgeschwindigkeit
auftritt. Diese Zunahme des Druckes führt zu einer
Druckwelle, die, verstärkt durch die Druckwellen von
benachbarten Punkten längs der saugseitigen Schaufeloberfläche, zur
Erzeugung eines schnellen statischen Drucksprunges
beiträgt, wobei der Druckgradient an der Schaufeloberfläche zu
schnell ansteigt, um eine gleichmäßige Strömung in der
Grenzschicht stromabwärts desselben zu gestatten. Diese
starke Druckwellenfront, die durch die verstärkten
Druckwellen an der Oberfläche der Laufschaufel hervorgerufen
wird, löst sich ab und unterbricht die stromabwärtige
Schaufeloberflächengrenzschicht, was zu
Strömungsrezirkulation
und anderen irreversiblen Verlusten führt, die die
Gesamtleistung der Laufschaufel verringern, und zwar sowohl
durch Erhöhen des Schaufelströmungswiderstands als auch
durch Verringern des Ausmaßes an Luftströmungsumlenkung
oder des erzielten Anstiegs des statischen Druckes.
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Bei bekannten Überschallaufschaufelkonstruktionen ist
versucht worden, diese Ablösung und deren nachteilige
Auswirkungen auf die Leistung dadurch zu verzögern, daß dem
Querschnitt von einzelnen Schaufelsegmenten eine derartige Form
gegeben worden ist, daß sich der Punkt maximaler
Schaufelwölbung zur Hinterkante der Schaufel hin befindet, wobei
die exakte Lage für jeden Schaufelabschnitt auf
Testdatenkorrelationen von bekannten ungepfeilten
Laufschaufelkaskaden basierte. Die Ablösung der Grenzschicht, die aufgrund
der Rekompression der strömenden Luft stromabwärts des
Punktes maximaler Schaufelwölbung auftritt, ist so in der
Lage, nur einen kleinen Teil der saugseitigen
Schaufeloberfläche zu beeinflussen.
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Die bekannte Technik ist bis zu einem gewissen Grad zwar
effektiv, eliminiert jedoch nicht die Unterbrechung der
Grenzschicht und die damit verbundenen
Wirkungsgradverschlechterungen und Irreversibilitäten, sondern reduziert
nur den gesamten negativen Effekt derselben. Was benötigt
wird, ist eine Laufschaufelkonstruktion, die die
Druckwellenfront bis zu einem derartigen Grad schwächt oder
eliminiert, daß die Ablösung der Luftströmungsgrenzschicht an
der saugseitigen Oberfläche der Laufschaufel nicht
auftritt.
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Demgemäß ist es Ziel der Erfindung, eine Laufschaufel zu
schaffen, die so konfiguriert ist, daß sie die
Druckwellenfront eliminiert, welche aus der Wechselwirkung der
einzelnen Druckwellen, die an benachbarten Schaufelsegmenten
erzeugt werden, eliminiert, um dadurch die Ablösung der
Grenzschicht an der saugseitigen Oberfläche während der
Rekompression der Luftströmung zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch die im
kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 1 oder 2
angegebenen Merkmale erreicht.
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Demgemäß schafft die Erfindung eine Laufschaufel zum
Hervorrufen eines Anstiegs des axialen statischen Drucks, der
aus einer Vortriebskraft resultiert, die so konfiguriert
ist, daß sowohl die geringe Lärmerzeugung der bekannten
Konstruktionen als auch der von den Betreibern moderner
Flugzeuge verlangte Betrieb mit hohem Wirkungsgrad erzielt
werden. Der hohe Wirkungsgrad wird erzielt durch
Konfigurieren von einzelnen Schaufelblattsegmenten der
Laufschaufel derart, daß die starke Druckwellenfront, die an der
Oberfläche von bekannten Laufschaufeln auftritt und zur
Ablösung der stromabwärtigen Luftgrenzschicht von der
saugseitigen Oberfläche der Laufschaufel führt, minimiert oder
eliminiert wird. Die Grenzschichtablösung, insbesondere in
den Fällen von Auftrieb erzeugenden Flügelprofilen oder
Vortriebslaufschaufeln, führt zu irreversibler (und damit
ineffizienter) Gasströmung und zu erhöhtem
Strömungswiderstand an dem Schaufelblatt.
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Die Laufschaufel nach der Erfindung vermeidet das Erzeugen
einer starken Druckwellenfront durch Anordnen der Punkte
maximaler Wölbung von einzelnen Schaufelblattsegmenten
derart, daß die Druckwelle, die durch irgendein Segment der
umlaufenden Laufschaufel erzeugt wird, durch die
Druckwelle, welche durch irgendein anderes Schaufelsegment
erzeugt wird, nicht verstärkt (und deshahalb nicht
intensiviert) wird. Durch Vermeiden des gegenseitigen Schnitts und
der Verstärkung der Druckwellen, die in irgendeinem Punkt
der Schaufelspannweite erzeugt werden, reduziert oder
eliminiert die Laufschaufel nach der Erfindung die
Grenzschichtablösung, die bei bekannten Laufschaufeln üblich
ist, welche mit Überschallrelativgeschwindigkeiten
arbeiten.
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Insbesondere ist die Lage der maximalen Wölbung der
einzelnen Schaufelblattsegmente der Laufschaufel nach der
Erfindung zwischen der Schaufelvorder- und der
Schaufelhinterkante so gewählt, daß die Druckwelle, die unmittelbar
stromabwärts des Punktes niedrigsten statischen Druckes
jedes Schaufelsegments auftritt, innerhalb eines Mach-Kegels
angeordnet ist, der als der äquivalente Punkt der
stromaufwärtigen benachbarten Schaufelblattsegmente definiert ist.
Die lokale Auswirkung des Rekomprimierens der Luftströmung
jedes Segments wird so längs der Schaufeloberfläche in
einem Ausmaß nach hinten verlegt, welches verhindert, daß die
Druckwelle, die in irgendeinem Punkt an der Laufschaufel
erzeugt wird, die Druckwelle schneidet und so verstärkt,
welche in irgendeinem anderen Punkt der Schaufel erzeugt
wird.
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Bei denjenigen Laufschaufeln, die mit gepfeilten
Vorderkanten versehen sind, um die Erzeugung einer
Vorderkantenstoßwelle zu vermeiden, ist die Linie maximaler Wölbung, die
durch die Punkte maximaler Wölbung der einzelnen
Schaufelblattsegmente definiert ist, wenigstens über denjenigen
Teilen der Schaufelspannweite, auf denen
Überschallrelativluftströmungsgeschwindigkeiten auftreten, ähnlich
gepfeilt.
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Da Laufschaufeln für Gasturbinentriebwerkfans oder Propfans
üblicherweise in der Dicke abnehmen und sich in der
Sehnenabmessung mit der Verlagerung radial nach außen verändern,
haben die Laufschaufeln nach der Erfindung eine variierende
proportionale Sehnenverlagerung des Punktes maximaler
Wölbung jedes Schaufelblattabschnitts über der Spannweite der
Laufschaufel, um die oben beschriebene gepfeilte Druckwelle
zu erzielen. Das stellt eine beträchtliche Abweichung von
den bekannten Schaufelkonstruktionen dar, bei denen
üblicherweise eine "Familie" von Flügelprofilmustern benutzt
wird, um die einzelnen Schaufelsegmente zu definieren, und
bei denen, obgleich sich die relative Dicke, die
Sehnenlänge und die maximale Relativwölbung über der Spannweite
der Laufschaufel ändern, eine charakteristische und nahezu
konstante proportionale Verlagerung zwischen dem Punkt
maximaler Wölbung und der Schaufelvorderkante relativ zu der
Segmentsehnenlänge trotzdem beibehalten wird. Diese
bekannten Laufschaufeln erzeugen daher Druckwellen an jedem
Segment, welche sich mit Druckwellen schneiden, die durch
stromabwärtige Segmente erzeugt werden, was zu einer
intensivierten Druckwellenfront führt, die wiederum die
Luftströmung über der Saugseite der Schaufeloberfläche
unterbricht und die aerodynamische Wirksamkeit der Laufschaufel
verringert.
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Diese und andere Merkmale und Vorteile ergeben sich für den
Fachmann aus einer Betrachtung der folgenden Beschreibung
und der beigefügten Ansprüche sowie der Zeichnungsfiguren,
wobei:
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Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Laufschaufel nach der
Erfindung in der Ebene der Drehachse.
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Fig. 2a zeigt eine ausführlichere Ansicht einer
Laufschaufel nach der Erfindung, die die Lage der Druckwellen zeigt,
welche durch einzelne Schaufelsegmente erzeugt werden.
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Fig. 2b zeigt eine bekannte Laufschaufel, bei der die
Druckwellen, die durch einzelne Schaufelsegmente erzeugt
werden, sich schneiden und verstärken.
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Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht einer Laufschaufel
nach der Erfindung, die sowohl die lokalen
Luftströmungslinien als auch die Verteilung des statischen Drucks über der
saugseitigen Oberfläche des Flügelprofils der Laufschaufel
zeigt.
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Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Fanlaufschaufel 10,
die sich um eine zentrale Achse 12 dreht. Die Laufschaufel
10 weist eine gepfeilte Vorderkante 14 auf, eine
Hinterkante 16 und besteht aus einer Vielzahl von einzelnen, mit
Flügelprofil versehenen Schaufelblattsegmenten 18, 20, die
zwischen dem radial inneren Fußende 22 und dem radial
äußeren Spitzenende 24 angeordnet sind. Der Fan ist in eine
ringförmige Ummantelung oder einen ringförmigen Kanal 25
eingeschlossen.
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Es sei beachtet, daß die Schaufelsegmente 18, 20
willkürliche Unterteilungen der Laufschaufel 10 darstellen, die zur
Vereinfachung der Berechnungen gemacht werden, wenn die
Schaufelwirksamkeit und die lokale Luftströmung durch eine
numerische Methode der endlichen Differenz od.dgl.
analysiert werden. Die Dicke eines einzelnen Segments oder einer
einzelnen "Scheibe" ist somit von der Rechenleistung des
benutzten analytischen Verfahrens abhängig, wobei die
leistungsfähigeren Verfahren üblicherweise in der Lage sind,
eine größere Anzahl von dünneren segmenten zu
berücksichtigen und somit einen höheren Grad an Gesamtgenauigkeit als
Ergebnis zu erzielen. Eine exakte mathematische Lösung der
Schaufelluftströmung würde die Beziehung zwischen
verschiedenen Schaufelsegmenten mit infinitesimaler Dicke
definieren, diese Art von Lösung ist aber nicht einmal für die
einfachsten Schaufelblattanordnungen bislang erzielt
worden. Die gegenwärtigen numerischen Verfahren der Analyse
sind in der Lage, die lokalen Luftströmungsbedingungen in
20-50 Segmenten zu berechnen, die radial über die
Blattspannweite zwischen dem Fuß und der Spitze verteilt sind.
Es wird zwar von einzelnen benachbarten Schaufelsegmenten
gesprochen, die eine endliche Dicke haben, es ist deshalb
jedoch klar, daß der Begriff "Segment" die minimale
"Scheibe" der gesamten Laufschaufel bei der Berechnung
beinhaltet, die sich mit dem benutzten Analysierverfahren
verträgt.
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Fig. 1 zeigt außerdem einen axial strömenden Luftstrom 26,
der auf die gepfeilte Vorderkante der Laufschaufel 14
trifft. Der Grad der Pfeilung, sowohl axial als auch in
Umfangsrichtung, der Vorderkante 14 steht in Beziehung zu der
Geschwindigkeit zwischen der Vorderkante 14 und der
Luftströmung
26 und ist so, daß die
Relativgeschwindigkeitskomponente, die zu der Vorderkante 14 normal ist, kleiner ist
als die Schallgeschwindigkeit unter den lokalen
Luftströmungsbedingungen in diesem Punkt. Solche Konstruktionen
sind im Stand der Technik bekannt und eliminieren die
Bildung von Schallstoßwellen an der Vorderkante von
Laufschaufeln, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, bei denen wenigstens
ein Teil in einem Überschallströmungsbereich relativ zu der
entsprechenden Luftströmung arbeitet.
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Eine Betrachtung von Fig. 3, die einen Querschnitt 21 des
Schaufelblattsegments 20 der Laufschaufel nach der
Erfindung zeigt, macht klar, daß der Querschnitt 21 eine
insgesamt gekrümmte Form hat, die sich zwischen der Vorderkante
14 und der Hinterkante 16 erstreckt. Der Querschnitt 21
definiert ein gekrümmtes oder gewölbtes Volumen, das einen
Punkt 28 maximaler Wölbung hat, der sich zwischen der
Vorderkante 14 und der Hinterkante 16 auf der saugseitigen
oder konvexen Oberfläche 30 des Schaufelblattsegments 20
befindet.
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Der statische Druck der Luftströmung 26 nimmt, wie in der
Fluidtheorie bekannt und durch die Kurve 32 in Fig. 3
gezeigt, über dem Schaufelsegment 20 ab, wenn die
Luftströmung 26 durch Kontakt mit dem Segment 20 umgelenkt
wird, bis die Strömung über den Punkt 28 maximaler Wölbung
hinweggeht, in welchem Zeitpunkt die
Luftströmungsgeschwindigkeit abzunehmen beginnt und die Gasströmung
rekomprimiert wird, wie es durch die Kurve 32 gezeigt ist. Der
Punkt 34 minimalen statischen Druckes repräsentiert
ebenfalls die lokale Druckwellenfront, die an der Oberfläche 30
des Schaufelblattsegments 20 eingeleitet wird.
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Auf dem Gebiet der Überschallströmung und der Strömung von
kompressiblen Fluids ist bekannt, daß die Auswirkung
irgendeiner Störung in einem Überschallströmungsbereich sich
längs einer "Mach-Linie" (oder eines Mach-Kegels bei
dreidimensionaler
Strömung) konzentriert, die eine Funktion der
Mach-Zahl der Strömung gemäß folgender Beziehung ist
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α = arc sin 1/M
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wobei
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M gleich der Mach-Zahl der Strömung ist, und
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α gleich dem eingeschlossenen Halbwinkel des Mach-Kegels
ist.
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Daher werden bei der zweidimensionalen Darstellung in Fig.
3 die Störungseffekte der Vorderkante 14 und des Punktes 28
maximaler Wölbung des Segments 20 in die Gasströmung 26
längs Mach-Linien 36 bzw. 38 übertragen. Aufgrund der Natur
der Überschallströmung ist nicht nur die Auswirkung einer
Strömungsstörung in dem Luftstrom 26 stromaufwärts der
Mach-Linie 36 bzw. 38 nicht evident, sondern die Störung,
die durch die Oberflächenstörung 14, 28 verursacht wird,
konzentriert sich längs der Mach-Linie 36 bzw. 38. Daher
pflanzt sich die Zunahme des Druckes oder die Druckwelle,
die in dem Punkt 28 maximaler Wölbung für das
Schaufelblattsegment 20 erzeugt wird, zu benachbarten Segmenten und
in den Luftstrom 26 hauptsächlich längs der Mach-Linie oder
des Mach-Kegels 38 fort.
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Die Bedeutung dessen, was vorstehend erläutert worden ist,
ergibt sich am besten aus einer gemeinsamen Betrachtung der
Fig. 2a und 2b. Fig. 2a zeigt eine detaillierte Ansicht der
Segmente 18, 20 der Laufschaufel 10 nach Fig. 1. Der Punkt
28 maximaler Wölbung des Segments 20 und ein ähnlicher
Punkt 40 maximaler Wölbung des Segments 18 zusammen mit dem
Punkt maximaler Wölbung der anderen Segmente, aus denen die
Laufschaufel 10 besteht, bilden eine Linie 42 maximaler
Wölbung, wie sie in Fig. 2a gezeigt ist. Gemäß obiger
Erläuterung steht der Punkt 28 maximaler Wölbung in Beziehung
zu dem Punkt 34 minimalen statischen Druckes, der auf der
saugseitigen Oberfläche des Segments 20 auftritt, sowie der
Einleitung der Rekompression der Luftströmung 26, die über
dieses Segment 20 hinweggeht. Die Auswirkungen dieser
Rekompression pflanzen sich in Richtung der Spannweite längs
der Laufschaufel 10 längs der Mach-Linien 38, 44 für die
Punkte 28 bzw. 40 maximaler Wölbung fort.
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Die einzelnen Segmente 18, 20 der Laufschaufel 10 nach der
Erfindung sind aufgrund der Relativgeschwindigkeit der
Luftströmung 26 und der Mach-Linien 38, 44, die in den
Punkten 28 bzw. 40 maximaler Wölbung erzeugt werden, derart
gewölbt, daß die Druckwelle, die in dem Punkt 40 maximaler
Wölbung des Segments 18 eingeleitet wird, hinter der Mach-
Linie 38 und somit hinter der in dem Punkt 28 an dem
stromaufwärtigen Schaufelsegment 20 erzeugten Druckwelle
liegt. Die Druckwellen, die durch jedes Schaufelsegment 18,
20 erzeugt werden, liegen somit hinter den Mach-Linien der
benachbarten stromaufwärtigen Schaufelsegmentquellen und
schneiden oder verstärken sich nicht gegenseitig.
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Dieser Vorteil ergibt sich am besten aus einer Betrachtung
von Fig. 2b, in der an einer bekannten Laufschaufel 110,
welche benachbarte Schaufelsegmente 118 und 120 hat, eine
relative Überschallströmung in bezug auf einen Luftstrom
126 auftritt. Die Punkte 128 und 140 maximaler Wölbung der
Segmente 120 bzw. 118 definieren eine Linie 142 maximaler
Wölbung, wie dargestellt, und sind nicht so angeordnet, daß
der Punkt 140 maximaler Wölbung an dem stromabwärtigen
Schaufelsegment sich hinter der Mach-Linie 138 befindet,
die von dem Punkt 128 maximaler Wölbung ausgeht. Die
Auswirkungen der Druckwellen, die in den Punkten 128 und 140
maximaler Wölbung erzeugt werden, pflanzen sich daher längs
der Mach-Linien 138 und 144 wie gezeigt fort, schneiden
sich in einem Punkt 148 und bilden eine verstärkte
Wellenfront hinter der Linie 142 maximaler Wölbung.
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Der gegenseitige Schnitt der sich fortpflanzenden
Druckwellen, die von den benachbarten Schaufelsegmenten 118, 120
ausgehen, ergibt eine verstärkte und intensive
Druckwellenfront
unmittelbar stromabwärts der Linie 142 maximaler
Wölbung und führt zu einem schnellen Sprung im statischen
Oberflächendruck längs der saugseitigen Oberfläche der
Laufschaufel 110. Ein solcher schneller Drucksprung oder
eine solche Stoßwelle an der Schaufeloberfläche kann die
stromabwärtige Grenzschicht unterbrechen und ablösen und
die aerodynamische Wirksamkeit der lokalen
Schaufeloberfläche verringern. Die Irreversibilitäten, welche durch das
Auftreten einer solchen Stoßwelle und einer solchen
Grenzschichtablösung verursacht werden, übertragen Energie von
der umlaufenden Laufschaufel in die Luftströmung 26 als
unbrauchbare Wärmeenergie statt der erwünschten
Luftströmungsumlenkung oder Erhöhung des statischen Druckes, die
durch die Laufschaufel nach der Erfindung über der gesamten
Schaufeloberfläche erzielt wird.
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Die gepfeilte Linie 42 maximaler Wölbung der Laufschaufel
10 nach der Erfindung würde in den meisten Fällen in etwa
gleichförmig beabstandet von der Vorderkante 14 erscheinen,
da sie einem ähnlichen Entwurfsparameter folgt. Da übliche
Fanlaufschaufeln aus Schaufelblattabschnitten 18, 20
gebildet sind, die sich in bezug auf die Sehnenabmessungen mit
zunehmendem Radius verändern, ist die Laufschaufel 10 nach
der Erfindung aus Schaufelblattsegmenten aufgebaut, die
eine ungleichmäßige proportionale Verlagerung zwischen dem
Punkt maximaler Wölbung und der Vorderkante in bezug auf
die Segmentsehnenabmessungen haben. Das ist eine bedeutsame
Abweichung von den bekannten Laufschaufelkonstruktionen,
die üblicherweise aus Schaufelblattsegmenten aufgebaut
sind, welche auf einer Vielzahl von ähnlichen
Flügelprofilformen oder einer "Familie" basieren, wobei die Lage des
Punktes maximaler Wölbung jedes Segments ein im
wesentlichen konstanter Anteil der Segmentsehnenabmessung ist,
wodurch gewährleistet ist, daß die Linie 142 maximaler
Wölbung von der schallgepfeilten Vorderkante 114 nicht
gleichmäßig beabstandet ist.
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Es ist klar, daß der tatsächliche Entwurf und die
tatsächliche Position der Punkte 28, 40 maximaler Wölbung und der
Linie 42 maximaler Wölbung der Laufschaufel 10 nach der
Erfindung aufgrund der lokalen Luftströmung über dem
besonderen betrachteten Segment gewählt werden und daß es,
obgleich das üblicherweise zu einem im wesentlichen
gleichmäßigen Abstand zwischen der Linie 42 maximaler Wölbung und
der Vorderkante 14 führen kann, in keinster Weise eine
solche Beziehung verlangt, die einfach das wahrscheinliche
Ergebnis der Lage der Punkte 28, 40 maximaler Wölbung ist, so
daß das Ergebnis ist, daß sich die Druckwellen nicht
schneiden, die an jedem Segment längs der
Schaufelspannweite erzeugt werden.
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Diese lokale Luftströmung muß durch die Verwendung einer
dreidimensionalen Transschallströmungsanalysierprozedur
anstelle von Daten zweidimensionaler Modellierung oder von
Kaskadentestdaten, welche eine Strömung in Richtung der
Spannweite oder in radialer Richtung, die durch benachbarte
Schaufelsegmente hervorgerufen wird, nicht genau
berücksichtigen, bestimmt werden. Diese Techniken der
dreidimensionalen Analyse sind besonders wichtig in der Nähe der
Schaufelspitze, wo die Schaufelwölbungsverteilung
gleichzeitig mit der Ummantelungskontur bestimmt werden muß, um
das Erzeugen einer Koaleszenz von Druckwellen zu vermeiden,
die entweder zu einem sekundären Stoß führt, wie es in der
oben erläuterten Bliss-Druckschrift, US 3 989 406,
beschrieben ist, oder zu einer vorzeitigen Ablösung der
Grenzschicht von der Schaufel oder der
Ummantelungsoberfläche führt.
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Es ist klar, daß die Beziehungen zwischen den benachbarten
Segmenten, wie sie oben offenbart und beschrieben sind, nur
denjenigen Teil der Laufschaufel betreffen sollen, wo die
Relativgeschwindigkeit zwischen der sich bewegenden
Laufschaufel und dem sich bewegenden Luftstrom größer ist als
die Schallgeschwindigkeit unter den lokalen Lufttemperatur-
und Strömungsbedingungen.
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Die Laufschaufelkonfiguration nach der Erfindung ist zwar
unter Bezugnahme auf eine Fanlaufschaufel beschrieben
worden, die von der Nabe und dem Spitzenende aus hauptsächlich
nach hinten gepfeilt ist, sie ist jedoch ebenso vorteilhaft
bei Laufschaufeln mit Vorwärtspfeilung, Umkehrpfeilung,
sowie bei ummantelten und nichtummantelten
Fanvortriebssystemen, Einlaufkränzen von Zentrifugalgebläsen und bei
Propfanlaufschaufeln anwendbar.