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Leitapparat für Uberschall-Radialverdichter Die Erfindung bezieht
sich auf einen Leitapparat für Überschall-Radii:alverdchter und insbesondere auf
eine Beschaufelwng eines solchen Leitapparats, die das Auftreten von Verdichtungsstoßwellen
beim Übergang von Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeit verhindert und damit
einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Bei den in der üblichen Weise heschaufelten
Leitapparaten treten hei Überschallströmung Stoßwellen auf, die die Strömung in
einem Ausmaß zum Abreißen bringen, daß der Wirkungsgrad des Leitapparats stark herabgesetzt
wird.
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Es ist bereits eine Anordnung bekannt, bei welcher die verlustbehafteten
Verdichtungsstöße in beschaufelten Diff:usoren von Überschall-Radialverdichtern
dadurch vermieden. werden, daß zwischen dem Laufradumfang und den Eintrittskanten
der Diffusorbeschaufelung ein besonders geformter schaufellos,-,r Ringraum vorgesehen
ist, in dem das mit Überschallgeschwindigkeit aus dem Laufrad austretende Strömungsmittel
so verzögert wird, daß es mit Unterschallgeschwindigkeit auf die Beschaufelung des
Diffusors auftrifft, in welchem es unter weiterer Druckzunahme in üblicher Weise
verzögert wird.
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Gegenstand der Erfindung ist ein verbesserter Leitapparat, bei welchem
die Eintrittskanten der Leitschaufeln in an sich bekannter Weise dem Verlauf der
Strömung über der Schaufelbreite angeglichen, und zwar entsprechend dem Verlauf
der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad gebogen oder geneigt ausgeführt sind.
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Durch diese Anordnung wird eine Diffusion der Grenzschichtströmung
in größerer Nähe .des Laufrades erzielt, als es bei der vorerwähnten bekannten Anordnung
möglich ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel in Verbindung
mit der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt Fig.1 eine Teilansicht eines Axialschnitts
durch einen Radialverdichter mit Leitapparat, ferner den Verlauf der Austrittsgeschwindigkeit
aus dem Verdichterlaufrad, Fig.2 eine Teilansicht im Schnitt nach der Linie 2-2
der Fig. 1, Fig.3 eine schematische Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsfortn
der Erfindung.
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Gemäß der Erfindung fördert das Laufrad eines Radialverdicliters Luft
mit Überschallgeschwindigkeit in einen Leitapparat, wobei die Leitschaufeln im Abstand
vom Laufrad angeordnet sind, so daß eine gewisse Diffusion zwischen dem Laufrad
und den Leitschaufeln eintritt. Die Leitschaufeln sind finit einer Vorderkante versehen,
die in an sich bekannter Weise ein Profil hat, welches im wesentlichen dem Verlauf
der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad entspricht. Eine derartige Anordnung
ergibt eine im wesentlichen schaufellose Strömungsdiffusion entsprechend dem Verlauf
der Überschall-Strömungsgeschwindigkeit sowie eine wirksame beschaufelte Diffusion
der verbleibenden Strömung bei niedrigeren Geschwindigkeiten.
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Fig. 1 zeigt ein Laufrad 10 mit Schaufeln 11, welche benachbart einer
Gehäusewand 12 laufen und mit einer umlaufenden INTabenscheibe 13 aus einem Stück
bestehen. Die Schaufeln 11 sind mit Enden 14 versehen, von welchen Luft in einen
Leitkanal 15 al)-strömt, .der durch Wandungen 16 und 17 begrenzt ist. Die zwischen
den Schaufeln des Laufrades 10 Hindurchströmende Luft, die den durch .die gestrichelte
Linie 18 angegebenen Geschwindigkeitsverlauf haben kann, wird - teilweise mit Überschallgeschwindigkeit
-- in den Leitkanal 15 gefördert. Die zwischen den Wandungen 16 und 17 befestigten
Leitschaufeln 21 sind mit Vorderkanten 22 versehen, die ein im wesentlichen kurvenförmig
ausgeschnittenes bzw. ausgespartes Profil haben, welches dem Geschwindigkeitsverlauf
am Laufradaustritt, wie er durch die gestrichelte Linie 18 angedeutet ist, entspricht.
Die
Form dieser Linie 18 zeigt verhältnismäßig niedrige Geschwindigkeiten
an den Wänden 12 und 13 und fortschreitend höher werdende Geschwindigkeiten mit
zunehmendem Abstand von den Wänden. Diese niedrigeren Geschwindigkeiten werden durch
die Grenzschichtströmung an den Wänden verursacht. Es sei angenommen, daß an der
auf der Kanalmittellinie gelegenen Stelle 19 Überschallgeschwindigkeit herrscht,
die an der Stelle 20 infolge der zunehmenden Diffusion im Kanal 15 zwischen den
Wandungen 16 und 17 auf Schallgeschwindigkeit herabgesetzt ist. Bei weiterem Vordringen
der Strömung bis zur Stelle 23 an der Vorderkante der Leitschaufel 21 ist die Strömung
an der Mittellinie auf Unterschallgeschwindigkeit herabgesetzt. Ebenso werden die
anderen Geschwindigkeiten, der verteilten Strömung ausreichend diffundiert, bevor
das ausgeschnittene Profil der Vorderkante 22 erreicht wird, so daß sich auch hier
Unterschallgeschwin.digkeiten einstellen. Da die Geschwindigkeiten an den Wänden
12 und 13 niedriger sind als diejenigen nahe der Mittellinie des Kanals 15, hat
die das Laufrad 11 verlassende Ströinung neben den Wänden 12 und 13 einen anderen
Winkel als die Strömung, welche das Laufrad mit hoher Geschwindigkeit in der Nähe
der Mittellinie des Kanals 15 verläßt. Aus den Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist ersichtlich,
daß die durch den Pfeil A angezeigte Strömung neben den Wänden. eine niedrige Geschwindigkeit
besitzt und das Laufrad unter einem kleinen Winkel zu einer an den Umfang desselben
gezogenen Tangente verläßt. Die Pfeile B und C stellen die Gasströme dar, die gegen
die Kanalmittellinie zu mit zunehmend höherer Geschwindigkeit und zunehmend größerem
Winkel aus dem Laufrad. austreten. Wie aus Fig. 1 der Zeichnung hervorgeht, trifft
der Gasstrahl, dessen Strömungsgeschwindigkeit am Laufradaustritt durch den Pfeil
C gekennzeichnet ist, am Punkt 23 auf die Vorderkante 22 der Schaufel 21; für die
Gasstrahlen B und A sind die entsprechenden Stellen die Punkte 23 b und 23 a. Der
Winkel der mittleren KriimmungAinie der Schaufeln an einem Punkt 23 a entspricht
also dem durch den Pfeil A angezeigten Winkel der Strömungsgeschwindigkeit. Der
Winkel der mittleren Krümmungslinie der Schaufeln an einem Punkt 23b entspricht
dem Winkel der Strömungsgeschwindigkeit, wie sie durch den Pfeil B z -tn, gezeigt
1-1 wird, während der Winkel der mittleren Krümmungslinie der Schaufeln an einem
Punkt 23 dem Winkel der Strömungsgeschwindigkeit, wie sie durch den Pfeil C angezeigt
wird, entspricht. Obwohl die Pfeile A, B und C so dargestellt sind, daß sich
ihr Ausgangspunkt am Umfang des Laufrades so befindet, verändern sich die Winkel
zwischen diesen Pfeilen und einer beispielsweise radialen Linie bis zu den Punkten
am Eintritt der Leitschaufeln nicht wesentlich.
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Verschiedene Konstruktionsverhältnisse bedingen natürlich eine sehr
verschiedenartige Formgebung der Vorderkanten der Leitschaufeln., um dem Verlauf
der Strömungsgeschwindigkeiten und deren Winkeln zu entsprechen. Diese Anordnung
bringt alle Vorteile der schaufellosen Diffusion für eine Strömung mit Überschallgeschwindigkeit
mit sich und macht sich für die Unterschallströmung im Grenzschichtbereich die beschaufelte
Diffusion zunutze, so daß sich ein Leitapparat von sehr hohem Wirkungsgrad bei Überschall-und
Unterschallströmung ergibt. Verdichtungsstoßwellen S, wie sie bei .den beschaufelten
Leitapparaten üblicher Bauart vorkommen können, treten bei dem erfindungsgemäßen
Leitapparat nicht auf.
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Bei der in Fig.3 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung
stellt die gestrichelte Linie 25 den Verlauf der Austrittsgeschwindigkeit aus dem
Laufrad 24, bei welchem die Strömungsgeschwindigkeit auf der Kanalmittellinie nicht
am höchsten ist. Einem solchen Laufrad mit schräger Verteilung .der Strömungsgeschwindigkeiten
werden Leitschaufeln 26 mit derart schräger Vorderkante 27 zugeordnet, daß diese
denn Verlauf der vom Laufrad erzeugten Strömungsgeschwindigkeit angeglichen sind.
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Aus Fig. 4 der Zeichnung ist ersichtlich, daß ein Laufrad 28 mit einem
Leitapparat versehen ist, dessen Schaufeln 29 auf ihrer ganzen Länge in der Mitte
zwischen den Wänden des Leitkanals völlig ausgeschnitten sind. Die Leitschaufeln
29 werden dazu verwendet, die Strömung neben den Wandungen des Strömungskanals zu
diffundieren und zwischen diesen eine schaufellose Diffusion ermöglichen. Diese
Schaufeln, 29 zwingen die Grenzschichtströmung dazu, mehr in der Richtung der Strömung
mit höherer Geschwindigkeit, welche durch den in der Mitte ausgesparten Teil der
Leitschaufeln 29 geht, zu strömen. Die Grenzschicht-Reibungsverluste an den. Diffusorwandungen
werden hierdurch auf ein Mindestmaß herabgesetzt.
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Der Leitapparat gemäß der Erfindung kann für die Diffusion einer Strömung
mit Überschallgeschwindigkeit bei hohen Machschen Zahlen von ganz besonderem Nutzen
sein.
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Das Prinzip des Leitapparats gemäß der Erfindung, das in Verbindung
mit Verdichtern beschrieben wurde, kann natürlich auch zur Diffusion einer durch
andere Vorrichtungen erzeugten Strömung zwischen dem Überschall- und dem Unterschallbereich
angewendet werden.