-
Überschallverdichter mit Schaufelkanälen Die Erfindung bezieht sich
auf überschallverdichter mit Schaufelkanälen, in deren vorderen konvergenten Teil
das gasförmige Strömungsmedium mit überschall-Relativgeschwindigkeit eintritt, an
den sich über eine Verengung ein divergenter Teil anschließt, so daß in jedem Kanal
im Betrieb ein gerader Verdichtungsstoß entsteht.
-
Es ist bekannt, durch eine entsprechende Ausbildung der Leit- bzw.
Laufschaufeln eines überschallverdichters, insbesondere durch Herstellung einer
divergierenden Form des Endabschnittes jedes Schaufelkanals, zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Schaufeln während des Betriebs in den verschiedenen Schaufelkanälen einen geraden
Verdichtungsstoß zu erzeugen, hinter dem, in Strömungsrichtung gesehen, die Strömung
mit Unterschallgeschwindigkeit erfolgt, während sie vor dem geraden Stoß überschallgeschwindigkeit
hat.
-
Bei einem derartigen bekannten überschallverdichter wird der überschallbeschaufelung
in ihrem vor dem geraden Stoß liegenden Abschnitt eine solche Form gegeben, daß
in jedem Schaufelkanal vor dem geraden Stoß eine oder mehrere schräge Stöße auftreten,
von denen jeder die Gasströmung verlangsamt und ihren Druck erhöht, bevor die Strömung
den geraden Stoß erreicht. Diese Maßnahme bringt den Vorteil mit sich, den Druck
der Strömung in aufeinanderfolgenden Stufen von der überschreitung des ersten schrägen
Verdichtungsstoßes an bis zu dem den letzten Verdichtungsstoß bildenden geraden
Stoß zu erhöhen. Nachteilig ist hierbei eine Instabilität des geraden Stoßes unter
bestimmten Betriebsbedingungen, insbesondere bei einer plötzlichen Zunahme der Ansaugmenge;
infolge dieser Instabilität läßt sich der gerade Stoß nicht in der Nähe der engsten
Stelle des Diffusors in seiner Lage festlegen.
-
Die Erfindung befaßt sich demgegenüber mit der Aufgabe, die vorgenannte
Instabilität des geraden Verdichtungsstoßes, der den überschallbeschaufelungen eigentümlich
ist, bei denen die Bewegung vor dem geraden Stoß zu aufeinanderfolgenden Verdichtungsstößen
Anlaß gibt, auf Kosten eines geringen zusätzlichen Druckabfalles zu vermeiden.
-
Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß die
Saugseite des vorderen Teiles einer jeden Schaufel in Strömungsrichtung gesehen
vor dem geraden Verdichtungsstoß einen konvexen Abschnitt aufweist, durch den im
Schaufelkanal vor dem geraden Verdichtungsstoß Verdünnungswellen ausgelöst werden,
daß das Strömungsmedium, bevor es auf die Front des geraden Verdichtungsstoßes auftrifft,
beschleunigt wird und daß der Anfangspunkt des konvexen Abschnittes auf Grund vorermittelter
Werte so gelegt wird, daß die von diesem Punkt ausgehende erste Verdünnungswelle
auf die Eintrittskante der Schaufel trifft, die der Saugseite der betrachteten Schaufel
gegenüberliegt.
-
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken weist bei einem überschallverdichter,
der als Axialverdichter ausgebildet ist, die Saugseite einer jeden Schaufel an der
Vorderkante der Schaufel einen geradlinigen und zur Richtung der Eintrittsgeschwindigkeit
des strömenden Mediums parallelen Abschnitt auf; der daran anschließende konvexe
Abschnitt ist vorzugsweise mit einer konstanten Krümmung versehen, wobei die Tangenten
der Begrenzungspunkte dieses konvexen Abschnittes einen Winkel von z. B. 7° bilden
und der Endpunkt zweckmäßig der Auftreffpunkt des an der Vorderkante der nächsten
Schaufel haftenden Stoßes ist, worauf auf diesen konvexen Abschnitt ein wenigstens
bis zur Stelle der geraden Verdichtungswelle reichender geradliniger Abschnitt folgt,
welcher die von dem konvexen Abschnitt eingeleitete Ablenkung verstärkt (wobei der
Winkel zwischen der Tangente an den konvexen Abschnitt im Punkt C und dem geradlinigen
Fortsatz zweckmäßig die gleiche Größenordnung wie der an der Vorderkante der Schaufel
von Saug- und Druckseite der Schaufel gebildete Winkel hat).
Bei
einem Überschallverdichter, der als Radialverdichter ausgebildet ist, bei dem das-Schaufelrad
einer Leitbeschaufelung ein gasförmiges Strömungsmedium mit Überschall-Relativgeschwindigkeit
zuführt, ist gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken eine solche Ausbildung. getroffen,
daß die Saugseite des vorderen Teils einer jeden Leitschaufel von ihrer Vorderkante
bis zum Punkt B nach einer Spirale geformt ist, welche auf das Schaufelrad gerichtete
Verdichtungsstöße erzeugt, wobei der letzte Verdichtungsstoß bis zum Punkt B reicht,
an den sich in Strömungsrichtung gesehen der konvexe Abschnitt anschließt.
-
Die Stabilisierung des geraden Verdichtungsstoßes beruht auf einer
Beschleunigung der Gasströmung vor dem geraden Verdichtungsstoß durch geringe Überschallexpansion.
Hierdurch werden den Betrieb gefährdende große Ungleichförmigkeiten des Druckes
im Verdichter, insbesondere bei einer Zunahme der Ansaugmenge, vermieden.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen abgewickelten
zylindrischen Schnitt eines Axial-Überschallverdichters, und zwar etwa auf halber
Höhe der Schaufeln, F i g. 2 einen Schnitt einer abgewandelten Ausführungsform einer
Laufbeschaufelung eines Axialverdichters, F i g. 3 ein Geschwindigkeitsdiagramm
für die Laufbeschaufelung des Axialverdichters nach F i g. 1 und F i g. 4 einen
Teil einer Leit- und Laufbeschaufelung eines Fliehkraftverdichters in einem Schnitt
senkrecht zu seiner Drehachse.
-
Bei dem in F i g. 1 dargestellten Axialverdichter haben die Schaufeln
1 der Leitbeschaufelung eine geringe Schräglage, so daß die Strömung am Ausgang
der Beschaufelung eine Absolutgeschwindigkeit c hat, die um einen Winkel in der
Größenordnung von 10° schräg zur Zylinderachse liegt.
-
Gegenüber der Leitb-eschaufelung 1 befindet sich ein mit Schaufeln
2 versehener Rotor, der (auf halber Höhe der Schaufeln 2 betrachtet) eine Geschwindigkeit
u hat. Die Bewegung mit dieser Geschwindigkeit u erfolgt in einer Richtung, die
der Richtung, nach der die Schaufeln 1 der Leitbeschaufelung schräg liegen, abgewandt
ist. Die Geschwindigkeit u hat einen solchen Wert, daß die mittlere Relativgeschwindigkeit
w des in die Rotoren eintretenden Gases größer als die Schallgeschwindigkeit ist.
-
Gemäß dem in F i g. 3 dargestellten Geschwindigkeitsdiagramm kann
für die Geschwindigkeit c, wenn mit c' die örtliche Schallgeschwindigkeit am Eingang
des mit den Schaufeln 2 versehenen Rotors bezeichnet wird, ein Wert in der Größenordnung
von 0,7 c' und für die Geschwindigkeit u ein Wert in der Größenordnung von 1,2 c'
gewählt werden. Man erhält dann für die Eintrittsgeschwindigkeit w in die Rotorschaufeln
2 einen Wert in der Größenordnung von 1,6 c', d. h. eine eindeutige überschallgeschwindigkeit.
-
Bei dem in F i g. 1 dargestellten Schaufelkanal P ist in der Nähe
der engsten Stelle des Diffusors der gerade Verdichtungsstoß DO eingezeichnet. Ferner
sind in dem vor dem Verdichtungsstoß DO liegenden Abschnitt einige Verdünnungswellen
dl, d2 und d3 eingetragen. Die Saugseite ,E jeder Schaufel Z enthält .einen
praktisch geradlinigen und zur Richtung der mit der Geschwindigkeit w eintretenden
Strömung parallelen Eingangsabschnitt, der von der Vorderkante A bis zum Punkt B
der Schaufel reicht. Vom Punkt B verläuft eine Verdünnungswelle dl bis zur Vorderkante
A0 der gegenüberliegenden Schaufel. Auf den Eingangsabschnitt AB folgt ein
leicht konvexer Abschnitt BC, dessen Tangenten bei B und C einen Winkel von
7° bilden. Die Krümmung dieses konvexen Abschnittes BC ist praktisch konstant. Der
Endpunkt C des konvexen Abschnittes ist zweckmäßigerweise der Auftreffpunkt der
an der Vorderkante AO der nächsten Schaufel haftenden Verdichtungswelle ADC. An
diesen konvexen Abschnitt BC schließt sich ein geradliniger Abschnitt
CD an, der wenigstens bis zu der Stelle des geraden Verdichtungsstoßes Do
reicht und die von dem konvexen Abschnitt BC eingeleitete Ablenkung verstärkt. Der
Winkel zwischen der -Tangente des konvexen Abschnittes BC an der Stelle C und dem
geradlinigen Abschnitt liegt in der gleichen Größenordnung wie der Winkel zwischen
den Wandungen der Saug- und Druckseite an der Vorderkante A der Schaufel.
-
Der im Punkt C beginnende geradlinige Abschnitt kann sich bis zur
Hinterkante F der Schaufel fortsetzen oder kann durch einen gebogenen Abschnitt
verlängert werden, der gemäß den Gesetzen der Unterschallströmung ausgebildet ist
und die am Austritt aus der Beschaufelung gewünschten Verhältnisse berücksichtigt.
-
Die Druckseite I der Schaufeln 2 hat von der Vorderkante A bis zur
Hinterkante F einen geradlinigen Verlauf.
-
Bei dem in F i g. 2 dargestellten abgewandelten Ausführungsbeispiel
ist die unter Bezugnahme auf F i g. 1 erläuterte Konvexität von 7° auf die beiden
einander gegenüberliegenden, die Übergangszone begrenzenden Wände aufgeteilt; die
konvexen Abschnitte erstrecken sich hierbei einerseits von B bis C und andererseits
von BO bis Ca, deren jeder einen Richtungswechsel von 3,5° aufweist. Diese konvexen
Abschnitte können wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch divergierende geradlinige
Abschnitte verlängert werden, die den divergierenden Diffusionskanal bilden.
-
In beiden Fällen erhält man in jedem Schaufelkanal P vor dem geraden
Verdichtungsstoß DO einen von einer Verdünnung begleiteten zunehmenden Gradienten
der Geschwindigkeit der Strömung und eine fächerförmige Verteilung dieser Geschwindigkeit
und hierauf von dem Verdichtungsstoß D° an eine Verdichtung. Die Geschwindigkeit
wird plötzlich infolge des Durchschreitens des geraden Verdichtungsstoßes herabgesetzt
werden.
-
F i g. 4 zeigt schematisch einen überschallverdichter, der als Radialverdichter
ausgebildet ist, mit einem Schaufelrad 3, das mit einer über der Schallgeschwindigkeit
liegenden Relativgeschwindigkeit ein gasförmiges Strömungsmittel an eine Leitbeschaufelung
liefert, deren Schaufeln 4 wie folgt ausgebildet sind.
-
Am Eingang eines jeden Schaufelkanals P sind im Beharrungszustand
der Strömung die Flächen gleicher Geschwindigkeiten und Drücke Umdrehungsflächen
um die Achse des Schaufelrades 3. Zu diesem Zweck ist die Saugseite E des vorderen
Teiles einer jeden Leitschaufel 1 von ihrer Vorderkante A bis zum
Punkt
B nach einer Spirale geformt, die auf das Schaufelrad 3 gerichtete Verdichtungsstöße
erzeugt, wobei der Endpunkt B dieses Bogens dem letzten Verdichtungsstoß BAO entspricht,
der das Schaufelrad 3 erreichen kann, ohne von der Vorderkante AO der nächsten Schaufel
4 abgefangen zu werden.
-
Von dem Punkt B an wird die Saugseite E durch einen konvexen Abschnitt
verlängert, der in der vor dem geraden Verdichtungsstoß DO liegenden übergangszone
Verdünnungswellen zur Beschleunigung der Strömung erzeugt. Der Endpunkt C dieses
konvexen Abschnittes (dessen Krümmung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel einer
Ablenkung von 7° entsprechen kann) ist vorzugsweise die Auftreffstelle des an der
Vorderkante AO der nächsten Schaufel haftenden schrägen Verdichtungsstoßes.
-
Schließlich wird der konvexe Abschnitt BC durch einen geradlinigen
Abschnitt verlängert, der die Ablenkung um etwa den Winkel der Vorderkante A vergrößert
und bis zur Hinterkante der Schaufeln reicht. Der Punkt B bildet einen Wendepunkt,
während der Punkt C einen Knick in dem Profil darstellt.
-
Die Druckseite 1 einer jeden Schaufel 4 kann mit einem geradlinigen
Abschnitt beginnen, der durch einen konvexen Abschnitt verlängert wird, der mit
der gegenüberliegenden Saugseite der vorhergehenden Schaufel einen Diffusor für
Unterschallgeschwindigkeit bildet, in dem gegebenenfalls eine weitere Leitschaufel
5 angeordnet werden kann.
-
Abschließend ist zu bemerken, daß der Querschnitt der Schaufelkanäle
P rechteckig, oval oder kreisförmig sein kann, wobei die zuletzt genannte Lösung
es gestattet, scharfe Kanten zu vermeiden und bei gleichem Querschnitt einen kleinsten
benetzten Umfang zu erhalten.