DE1815291A1

DE1815291A1 - Angelenkte Schaufel mit Tragflaechenprofil insbesondere fuer Einlassleitschaufeln von Flugzeugkompressoren

Info

Publication number: DE1815291A1
Application number: DE19681815291
Authority: DE
Inventors: Smith Jun Leroy Harrington
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-12-18
Filing date: 1968-12-18
Publication date: 1970-07-02

Description

Unser Zeichens G- 1171

Angelenkte Sohaufel mit Tragflächenprofil insbesondere für ginla Öle it schaufeln von IPlugzeugkompressoren

Die Erfindung "betrifft eine angelenkte Schaufel mit Tragflächenprofil und insbesondere eine zweiteilige drehbare oder Gelenkschaufel, die für große Drehwinkel als Binlaßleitachaufel eines Flugzeugkompressors verwendet werden kann*

In vielen Anwendungsfällen, "beispielsweise als Einlaßleitachauf el eines Kompressors eines Flugzeugtriebwerkes ist es erforderlich, daß der Kompressor mit hohem Wirkungagrad innerhalb eines weiten Betriebebereiches arbeitet. Die Leitschaufeln in solchen Kompresaoren sollten der Anforderung entsprechen, daß sie wirksam über einen Drehungswinkel im Bereioh bis zu 80° arbeiten. Dies ist sehr schwierig zu erreichen und die besten Drehschaufeln arbeiten im allgemeinen mit gutem Wirkungsgrad über einen Bereich von etwa 45 oder in erster Näherung in der Hälfte des gewünschten Bereiches. Zusätzlich kann es erforderlich sein, daß die Schaufel die Luftströmung sowohl in die Drehrichtung des Rotors als auoh gegen die Drehriohtüng des Rotors leiten« Beispielsweise kann ea bei einem Triebwerk erforderlioh sein, daß die Schaufel die Luftströmung etwa 20° ge-

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gen die Drehrichtung bei der Entwurfsdrehzahl richtet und die Schaufeln müssen bis auf Null (keine Drehung) bei etwa 80$ Drehzahl schließen und die Strömung um etwa 60 in Drehrichtung umlenken und zwar für einen Betrieb bei aehr geringen drehzahlen. Dies bedeutet, daß die Leitschaufeln in wirksamer Weise über einen Drehwinkelbereich von etwa 80° arbeiten müssen, wie es oben dargelegt wurde. Um die Schaufeln so einfach als möglich zu gestalten, wurden einstückige, einzelne gewölbte Schaufeln im allgemeinen verwendet und es wurde ein nicht ausreichender Wirkungsgrad in einem Bereich über einem Teil des Betriebsbereiches akzeptiert. Unglücklicherweise hat sich herausgestellt, daß dieser Bereich einen großen oder kritischen Abschnitt des Betriebsbefeiches umfassen kann. Bs ist bekannt, daß bei einem hohen Ausfüllungsgrad der Schaufeln, wenn die Schaufeln gedreht werden, und wenn der Austrittsquerschnitt vermindert wird, eine Tendenz der Strömung besteht, sich naoh 20°-Drehung wegen des hohen Einstellwinkels abzutrennen. Die Strömung haftet nach der Abtrennung bei einer v/eiteren Drehung wegen des großen Druckabfalles an den Schaufeln in der Nähe der Schließlage wieder an. Ehe jedoch diese Wiederanhaftung auftritt, stellt sich eine Ablösungszone ein, in der in einem ganz erheblichen Maß ein nicht ausreichender Betrieb stattfindet. Es ist selbstverständlich erwünscht, daß die Luft glatt der Leitschaufel in allen Betriebsstellungen folgt. Es ist möglich, dies mit Schaufeln mit veränderlicher Wölbung zu erreichen, jedoch führen diese Schaufeln Probleme wegen der mechanischen Kompliziertheit ein und diese Schaufeln sind sehr teuer.

Es ist ein Hauptziel der Erfindung,· eine spezielle zweiteilige angelenkte oder Gelenkschaufel zu schaffen, die in einer Kaskade oder einem Leitkranz verwendet werden kann,

wobei

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wobei diese Schaufel in ihrem Aufbau so ausgebildet ist, daß eine StrÖmungaablösung verhindert wird.

Gemäß der Erfindung ist eine Kaskade oder ein Leitkranz aus Schaufeln mit Tragfläohenprofil vorgesehen, um eine fluide Strömung zu leiten, wobei die Schaufelnzweiteilig sind und wobei diese Teile gelenkig miteinander verbunden sind und wobei diese Teile einen nichtgewölbten festen, stromauf gelegenen Abschnitt aufweisen, der in die Strömung hineingerichtet ist und einen angelenkten hinteren Abschnitt am stromab gelegenen Ende des festen Abschnittes, der sioh gegenüber dem festen 'Abschnitt in eine ausgelenkte Stellung drehen kann und der eine im wesentliche glatte kontinuierliche Strömungsoberfläche zwischen den Teilen längs der konvexen Seite des angelenkten Schaufelabschnittes bildet, wobei der hintere Abschnitt langer ist als der feste Abschnitt und sich wenigstens in verdrehter Stellung bis zum Schwenkpunkt der benachbarten Schaufel mit Tragflächenprofil erstreckt und wobei die maximale Stärke des hinteren Abschnittes größer ist als die maximale Dicke des festen Abschnittes und wobei der verschwenkbare hintere Abschnitt der Schaufel mit Tragflächenprofil gewölbt sein kann und wobei der hintere Abschnitt in seiner verdrehten Stellung sich wenigstens so weit wie die maximale Dicke der benachbarten Schaufel erstreckt.

Die Erfindung soll, in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden· Es zeigen/

Fig, 1 eine schematische Ansicht der Anordnung bei einem typischen Kompressor,

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Pig. 2 eine Schnittansicht einer zweiteiligen angelenkten Schaufel mit Tragflächenprofil, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist,

Mg. 3 eine ähnliche Ansicht wie Pig. 2, die eine abgeänderte Ausführungsform darstellt und

Fig. 4 eine sohematisehe Darstellung der Sohaufeln in einer Kaskade oder einem Leitkranz, wobei die geschlossene und die offene Stellung dargestellt ist.

Es sei bemerkt, daß die zweiteilige gelenkige Schaufel mit Tragflächenprofil, die nunmehr beschrieben werden soll, in Kaskaden oder Leitkränzen verwendet werden kann, wo ea erwünscht ist, in wirksamer Weise die Strömung eines fiuiden Mediums über einen großen Winkelbereich umzudrehen» Die Schaufeln können in der Vektorschubeinrichtung eines Senkrechtstarters verwendet werden und sie können in einer EinlaßJalousie verwendet werden und sie können in Axialströmungskompressoren, Radialströmungskompressoren oder gemischten Strömungskompressoren sowie in Turbinen, Pumpen und Gebläsen verwendet werden, um die Einlaßströmung Über einen weiten Eetriebsbereioh bei einer erheblichen Verminderung der Verluste umzulenken. Die Verwendung einer speziellen Schaufel bei einem Kompressor soll zum Zweoke der Erläuterung der Erfindung im allgemeinen beschrieben v/erden.

Es sei zuerst auf Mg. 1 Bezug genommen. In Mg. 1 ist sohematisch die Anwendung bei einem Kompressor dargestellt, wobei bei dem Kompressor Einlaßleitschaufeln 10 vorgesehen sind, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, um zwischen diesen einen Eintrittsquerschnitt A₁ auszubilden.

Zwei

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Zwei Leitschaufein sind als Teil eines Leitkranzes oder einer Kaskade aus aolchen S-chaufeln dargestellt, wobei diese_t Schaufeln im allgemeinen als Einlaßleitschaufeln verwendet werden* Die eintretende Luftströmung, die schematisch durch den großen Pfeil angedeutet ist j geht durch diese Schaufeln hindurch und gelangt in die Rot or schaufeln 12. Die Iieitschauf ein sind derart gestaltet, daß diese die Strömung in die Rotorschaufein 12 über einen weiten Betriebsbereich umlenken, wie es schematisch durch die kleinen Pfeile dargestellt ist und dieser Betriebsbereich kann von 20 gegen die Drehrichtung II im Entwurfdrehzahlbereich bis zu einer Hull-Gradsteile oder geraden Stellung, die gestrichelt dargestellt ist, bei etwa 80^-Drehzahl und bis zu einer Drehung in der entgegengesetzten Richtung von etwa 60° verlaufen, wobei diese Stellung ausgezogen dargestellt ist und zwar in Drehrichtung bei einem Betrieb mit sehr geringen Drehzahlen. Es sei bemerkt, daß eine Drehung der Schaufeln 10 in jeder Richtung den Strömungsquerschnitt zwischen den Schaufeln von A^ bis Ap verringert.

Wenn die Schaufeln 10 über große Bereiche verdreht werden, werden sie auf große Anstellwinkelwerte für die eintretende Luft eingestellt, die durch den großen Pfeil veranschaulicht ist, was dazu führt, daß die Luft der großen abrupten Drehung nicht folgen kann und es tritt eine Ablösung der Strömung auf. Die Erfindung ist dazu bestimmt, diese Ablösung über viel größere Winkel bis zu 80°, wie in Mg. 1 dargestellt, zu verhindern.

Es ist bekannt, daß wenn ein Druckabfall duroh Leitschaufeln oder Leitkranzschaufein hindurch stattfindet, die Grenzschicht dazu neigt, an der Oberfläche anzuhaften. Die ■ erfindungsgemäßen Schaufeln sind derart gestaltet, daß

sichergestellt

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sichergestellt wird, daß dieses Anhaften auftritt und zwar dadurch, daß.eine spezielle Schaufel geschaffen wird, die eine Zusammenziehung des Strömungsweges ermöglicht, um eine konvergente Düse zwischen bestimmten Schaufeln zu erzeugen» In einer derartigen Düse wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und dies führt zu einem geringeren Druck und damit zu einer Verhinderung der Ablösung. Um dieses zu erreichen, ist jede Schaufel so geformt, daß der Strömungsweg zwischen benachbarten Schaufeln eine vorteilhafte Kontur aufweist, um eine Nichtabtrennung sicherzustellen, während gleichzeitig verhindert wird, daß hohe Anstellwinkel auftreten, die in erster linie für die Ablösung verantwortlich sind.

Angelenkte oder gelenkige Schaufeln als solche sind an sich bekannt und werden verwendet, um die Wölbung der Schaufel zu verändern. Die erf indungs gemäße Schaufel ist jedoch '_f wie insbesondere Fig. 2 zeigt, eine Verbesserung aller bisher bekannten Schaufeln. Es sei auf Fig» 2 Bezug genommen. Die einzelne gelenkige oder angelenkte Schaufel mit Tragflächenprofil, die allgemein bei 13 dargestellt ist, kann zweiteilig sein und einen nicht gewölbten, festen, stromauf gelegenen Abschnitt 14 aufweisen, der im wesentlichen parallel zur Strömung verläuft und in die Strömung hinein gerichtet ist. Dieser Abschnitt der Schaufel ist fest, so daß '. dieser Abschnitt einen im wesentlichen kqstanten Anstellwinkel mit der eintretenden luft bildet« Um den weiten Drehbereich zu erzielen, der erforderlich ist und wie er gestrichelt in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein einzelner beweglicher Hinterabschnitt 16 am stromab gelegenen Ende des festen Abschnittes vorgesehen, Der hintere Abschnitt 16 ist derart gestaltet, daß sich dieser um einen

Schwenkpunkt ·

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Schwenkpunkt 18 in jeder Richtung drehen kann und die beiden Tragflächenabschnitte befinden sich bei 20 im wesentlichen miteinander in Kontakt, um so weitgehend als möglich, jeden Schlitz zwischen diesen beiden Abschnitten zu verhindern. Um die bevorzugte Kontur des Durchgangs zwischen Schaufeln zu bilden, ist ea von Bedeutung, daß der hintere Abschnitt eine bestimmte Form hat. Dies bedeutet, daß der Abschnitt 16 langer sein muß als der feste Abschnitt, wie es in I¹Ig₁ 2 dargestellt ist. Die maximale Dicke 22 des hinteren Abschnittes muß größer aein als die maximale Dicke 2Φ des festen Abschnittes. Zusätzlich muß der hintere Abschnitt so geformt sein, daß dieser in seiner ausgelenkten Stellung mit dem festen Abschnitt eine im wesentlichen kontinuierliche glatte Strömungsoberfläche bildet, d.h. es dürfen keine Stufen öder scharfe Unstetigkeiten längs der konvexen Seite des ausgelenkten, angelenkten Schaufelabschnittes auftreten. Der bewegliche hintere Abschnitt 16 ist als nicht gewölbter Abschnitt in Fig. 2 dargestellt und zwar für einen großen Betriebsbereich um eine Syometriemittelebene 26 herum. In einigen Anwendungsfällen kann eine Ablenkung im allgemeinen in der einen oder in der anderen Richtung von der Mittellinie 26 aus erforderlich sein. In diesen Fällen kann eine lei'chte Wölbung wünschenswert sein, wie es im beweglichen Abschnitt 28 der Fig. 3 dargestellt ist. Es ist wesentlich, daß die Länge,- die naximale Dicke und die Form den Bedingungen, die im vorstehenden aufgeführt sind, genügt.

Damit der Strömungsquerschnitt zwischen benachbarten Schaufeln mit Tragflächenprofil so geformt werden lcann, daß die gewünschte Anhaftung der Strömung in einem weiten Betriebsbereich stattfindet, sind die einzelnen Schaufelabscimitte

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in Kaskadenform angeordnet, wie ea in Pig. 4 dargeatellt iat. Die Fig. 4 zeigt die offene Lage der Schaufeln 13» die erfindungagemäß auagebildet aind mit geatrichelten Linien und die voll geaohloaaene Lage mit auagezogenen Linien. Die Strömungaquerschnitte A^ und A₂ aind die gleichen, v/ie aie in Fig. 1 dargestellt aind. Wie bereits dargelegt, iat es bekannt, daß eine Geschwindigkeitserhöhung gleichbedeutend mit einer Druckerniedrigung iat und daß die Grenzschichtluft die Neigung hat, haften zu bleiben und daß auf dieae Weise die Strömung in einer derartigen Umgebung anhaftet. Um sicherzustellen, daß diese Betriebsweise über einen weiten Betriebabereioh unter allen Bedingungen aufrecht erhalten wird, werden bei der mit voll auagezogenen Linien dargestellten geachloaaenen Stellung der Fig. 4 die in Fig. 2 dargestellten Schaufeln verwendet. Diese Schaufeln sind ao, wie es im vorstehenden beschrieben wurde, bemessen und sind ao angeordnet, daß wenn sie kaakadenartig und geschlossen angeordnet aind, wie es dargestellt ist, der hintere Abschnitt der oberen Schaufel in Fig. 4 sich über den Schwenkpunkt 18 der benachbarten oder unteren Schaufel erstreckt. Vorzugsweise iat ea erwünscht, diesen Schaufelabschnitt wenigstena so weit sich zurückeratrecken zu lasaen, als es der dargestellten maximalen Stärke 22 entspricht. Die Rückeratreckung kann jedoch noch weitergehen. Dadurch v/ird eine längere konvergierende Düse vom Schwenkpunkt 18 bis zum Halakreiaquer3chnitt, der dargestellt ist, erzeugt und der durch die Punkte 32 und 33 hindurchgeht, wobei diese Punkte dicht bei den Punkten maximaler Dicke liegen. Wenn.sich die Hinterkante etwas über die Stelle maximaler Dicke 22 hinaus erstreckt, so tritt der Düsenhaisquerschnitt stromauf von der Stelle maximaler Stärke auf, wie es dargestellt ist. Die konvertierende

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gierende Düse führt zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit und erzeugt eine Druckverminderung, wobei die Neigung entsteht, daß die Strömung haften bleibt. Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung tritt irgend eine Abtrennung an der Saugoberfläche 36 um den Gelenkabschnitt der hinteren SchaufelteIlen auf. Die luft folgt der Druckoberfläohe 38 der benachbarten oberen Schaufel, da hier keinerlei Neigung zu einer Ablösung vorhanden ist. Dadurch, daß die konvergierende Düse stromab vom Schwenkpunkt 18 vorgesehen ist, -wird im Bereioh vom Punkt 18 bis zum HaIsquerschnittakreis bei 32 in diesem Bereich eine Ablösung ebenfalls ausgeschaltet.

Mit dem festen vorderen Abschnitt·14 der Gelenkschaufel entsteht ferner eine Neigung, den Anstellwinkel zu vemngern. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die normale Stromlinie 40 in des Schwenkpunktes 18 eine verminderte Krümmung hat, um eine neue Stellung 42 anzunehmen, wodurch der Strömungswinkel gegenüber der Vorderkante der Schaufel verringert wird, wodurch es der Strömung leichter wird, der Drehung am Gelenkpunkt au folgen und in die geneigte Richtung der angelenkten Schaufel hineinzuströmen. Der kleine feste Abschnitt 14, dessen Länge geringer ist als die des beweglichen Seiles übt eine Hubwirkung aus, wodurch die Strömung die Neigung hat, sich in die Richtung zu drehen, in die der angelenkte Abschnitt 16 gedreht · wurde.

die erfindungsgemäße Schaufel in einer Kaskade oder in einem Leitkranz angeordnet ist, so entsteht eine neue Struktur, die die Neigung hat, das Anhaften der Luftströ mung über einen großen Drehwinkelbereich aufrecht zu er-

halten.

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halten. Dadurch., daß die maximale Dicke des beweglichen Abschnittes größer ist als die maximale Dicke des festen Abschnittes und dadurch daß eine glatte Strömungsoberfläche für die konvergierende Düse vorgesehen ist und daß diese Druckverhältniase eingestellt werden, wird sichergestellt, daß im Arbeitsbereich das Anhaften der Strömung stattfindet»

Wenn eine größere Drehung in einer Richtung'gegenüber der Mittellinie anstatt eines symmetrischen Betriebes erwünscht ist, dann kann der hintere Abschnitt leicht gewölbt sein und zwar in der Drehrichtung, wie es im vorstehenden erläutert wurde»

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Kaskade oder L_eitkranz aus Schaufeln mit Tragflächenprofil zur Lenkung einer Strömung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln zweiteilig sind und gelenkig ausgebildet oder aneinander angelenkt sind und daß die Schaufeln einen nicht gewölbten, festen stromauf gelegenen Abschnitt aufweisen, der in die Strömung hinein gerichtet ist und einen angelenkten hinteren Abschnitt am stromab gelegenen Ende des festen Abschnittes, der sich gegenüber dem festen Abschnitt in eine ausgelenkte Stellung verdrehen kann, wobei eine im wesentlichen glatte, kontinuierliche Strömungsoberfläche zwischen den Abschnitten längs der konvexen Seite der angelenkten Schaufel vorhanden ist und wobei der hintere Abschnitt langer ist als der feste Abschnitt und sich wenigstens bis zum Schwenkpunkt der benachbarten Schaufel in verdrehter Lage erstreckt und wobei die maximale Dicke des hinteren Abschnittes größer ist als die maximale Dicke des festen Abschnittes.

2. Kaskade oder Leitkranz nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet _t da£ der schwenkbare hintere Abschnitt nicht gewölbt ist.

3« Kaskade nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab der schwenkbare hintere Abschnitt eine Wölbung aufwes t.

4. Kaskade nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der hintere Abschnitt in gedrehter Stellung wenigstens bis zum Abschnitt maximaler Dicke der benachbarten Schaufel erstreckt.

5.

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■■-■■■■ BAD OWGiHAL

5. Kaskade naoh einem der vorhergehenden Ansprüche, daduroh gekennzeichnet, daß die benachbarten Schaufeln einaohließlich der festen Abschnitte über einen Teil hinweg eine konvergierende Düse bilden.

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