DE10027084A1 - Leitschaufel und Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter - Google Patents

Abstract

Es wird eine Leitschaufel für einen Axialverdichter angegeben, bei dem der Wellenwiderstand durch die Erzeugung einer Stoßwelle im Überschallbereich minimiert werden kann. Zu diesem Zweck besitzt die Leitschaufel in dem Axialverdichter eine einen Überdruck erzeugende Wölbungsinnenseite und eine einen Unterdruck erzeugende Wölbungsaußenseite. Sowohl die Wölbungsinnenseite als auch die Wölbungsaußenseite liegen auf einer Seite einer Sehnenlinie. An der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel im Bereich ihres Vorderrands ist ein erster Wulst und im Bereich ihres Hinterrands ist ein zweiter Wulst ausgebildet. Die Erzeugung einer Stoßwelle an der Wölbungsaußenseite kann gedämpft werden, um den Wellenwiderstand zu reduzieren, indem eine Grenzschichtablösung an der Wölbungsinnenseite durch den ersten Wulst aktiv gefördert wird. Zusätzlich kann die Grenzschicht, die durch den ersten Wulst an der Wölbungsinnenseite unstabil gemacht wird, an dem zweiten Wulst an der Wölbungsinnenseite wieder stabilisiert werden, und daher kann eine Zunahme des Reibungswiderstands durch die Grenzschichtablösung an der Wölbungsinnenseite minimiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stator- bzw. Leitschaufel und eine Leit­ schaufelkaskade für einen Axialverdichter, wie etwa eine Gasturbine, und insbesondere eine Leitschaufel und eine Leitschaufelkaskade in einem Axialverdichter, bei der der Druckverlust im Überschallbereich reduziert werden kann.

Aus den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 9-256997 und 8- 254156 sind Laufschaufeln für einen Axialverdichter bekannt, in denen eine Vertiefung an einer im wesentlichen zentralen Stelle oder an einer Stelle nahe einem Vorderrand an der Wölbungsaußenseite (einer Unter­ druckseite) eines Schaufelprofils ausgebildet ist, so daß im Überschall­ bereich zwei Stoßwellen erzeugt werden, um die Ablösung einer Grenz­ schicht zu verhindern und hierdurch den Druckverlust zu reduzieren. Aus dem US-Patent Nr. 5,395,971 ist ein Schaufelprofil bekannt, welches sowohl für ein komprimierbares Fluid als auch für ein inkompressibles Fluid anwendbar ist, in dem eine Vertiefung an einer im wesentlichen zentralen Stelle jeweils der Wölbungsinnenseite (einer Überdruckseite) und der Wölbungsaußenseite (einer Unterdruckseite) ausgebildet ist, so daß ein Laminar strömender Grenzschichtbereich lange erhalten bleibt und eine Ablösung unterbunden wird, um hierdurch die Leistung bei großen Anstellwinkeln zu verbessern.

Aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 11-13692 ist ferner eine Rotor- bzw. Laufschaufelkaskade für einen Axialverdichter bekannt, die so ausgestaltet ist, daß das Erzeugen einer Stoßwelle zwischen den Schaufeln gedämpft wird, indem der Abstand zwischen den Wölbungs­ innenseiten und Wölbungsaußenseiten benachbarter Laufschaufeln im Bereich von 5% von der Wurzel der Laufschaufel gelegt wird. Ferner ist aus dem US-Patent Nr. 5,395,071 ein Schaufelprofil bekannt, das sowohl für ein komprimierbares Fluid als auch für ein nicht komprimier­ bares Fluid verwendbar ist, in dem eine Vertiefung an einer im wesentli­ chen zentralen Stelle jeweils der Wölbungsinnenseite (einer Überdrucksei­ te) und Wölbungsaußenseite (einer Unterdruckseite) ausgebildet ist, so daß ein laminar strömender Grenzschichtbereich lange erhalten bleibt und eine Ablösung unterbunden wird, um hierdurch die Leistung bei großen Anstellwinkeln zu verbessern.

Wenn die Strömung, die in die Leitschaufel des Axialverdichters eintritt, eine kritische Machzahl erreicht, erreicht die Strömungsgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit an der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel, so daß eine Stoßwelle entsteht. Aus diesem Grund wird ein starker Stoß­ wellenbildungswiderstand erzeugt, was eine Leistungsminderung ver­ ursacht. Um die Leistung des Axialverdichters zu verbessern, ist es daher erforderlich, die an der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel erzeugte Stoßwelle zu dämpfen, um hierdurch den Wellenwiderstand zu reduzie­ ren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Leitschaufel und eine Leitschauf­ elkaskade für einen Axialverdichter aufzuzeigen, bei der der Wellenwid­ erstand durch die Erzeugung einer Stoßwelle im Überschallbereich auf das Minimum gesenkt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung eine Leitschaufel für einen Axialverdichter vorgeschlagen, mit einer einen Überdruck erzeugenden Wölbungsinnenseite und einer einen Unterdruck erzeugenden Wölbungsaußenseite, wobei die Leitschaufel in einer ringfö­ rmigen Fluidpassage anzuordnen ist, wobei sowohl die Wölbungsinnen­ seite als auch die Wölbungsaußenseite an einer Seite einer Sehnenlinie liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufel an der Wölbungsinnenseite seitens des Vorderrands einen ersten Wulst und seitens des Hinterrands einen zweiten Wulst aufweist.

Nach einem zweiten Aspekt ist bevorzugt die Leitschaufel dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand Xa vom Vorderrand zum Vorderende des zweiten Wulsts, bezogen auf die Sehnenlänge C, im Bereich von 0,60 < Xa/C < 0,90 liegt.

Nach einem dritten Aspekt ist bevorzugt die Leitschaufel dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand Xb vom Vorderrand zum Hinterende des ersten Wulsts, bezogen auf die Sehnenlänge C, im Bereich von 0,05 < Xb/C < 0,40 liegt.

Wenn gemäß diesen ersten bis dritten Merkmalen das Fluid zur in der ringförmigen Fluidpassage angeordneten Leitschaufel strömt, wird die Ablösung einer Grenzschicht durch den ersten Wulst, der an der Wöl­ bungsinnenseite beim Vorderrand vorgesehen ist, begünstigt, wodurch die Erzeugung einer Stoßwelle an der Wölbungsaußenseite der Leit­ schaufel benachbart in der Wölbungsinnenseite gedämpft werden kann, um hierdurch den Wellenwiderstand zu reduzieren. Zwar nimmt der Reibungswiderstand aufgrund der Ablösung der Grenzschicht an dem ersten Wulst ein wenig zu, wobei jedoch diese Zunahme sehr viel gerin­ ger ist im Vergleich zu einer Abnahme des Wellenwiderstands, der durch die Dämpfung der Erzeugung der Stoßwelle erzeugt wird. Daher kann der Widerstand an der gesamten Leitschaufel wesentlich reduziert werden. Die Grenzschicht, die durch den ersten Wulst am Vorderrand der Wöl­ bungsinnenseite unstabil wird, kann durch den zweiten Wulst am Hinter­ rad der Wölbungsinnenseite wieder stabilisiert werden. Daher kann die Zunahme des Reibungswiderstands durch das Ablösen der Grenzschicht an der Wölbungsinnenseite auf das Minimum gesenkt werden.

Besonders zufriedenstellend läßt sich dieser Effekt erzielen, indem man den Abstand Xa vom Vorderrand zum Vorderende des zweiten Wulsts in den Bereich von 0,60 < Xa/C < 0,90 in bezug auf die Sehnenlänge C setzt und indem man den Abstand Xb vom Vorderrand zum Hinterende des ersten Wulsts im Bereich von 0,05 < Xb/c < 0,40 in bezug auf die Sehnenlänge C setzt.

Zur Lösung der Aufgabe wird nach einem vierten Aspekt der Erfindung eine Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter vorgeschlagen, um­ fassend eine große Anzahl von Leitschaufeln, die in einer ringförmigen Fluidpassage anzuordnen sind, wobei jede Leitschaufel eine einen Über­ druck erzeugende Wölbungsinnenseite und eine einen Unterdruck erzeu­ gende Wölbungsaußenseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verteilung von Abständen in Sehnenrichtung zwischen der Wölbungs­ innenseite einer zweier benachbarter Leitschaufeln und der Wölbungs­ außenseite der anderen der zwei benachbarten Leitschaufeln von einem Vorderrand zu einem Hinterrand zunimmt und einen Maximalwert er­ reicht; dann abnimmt und einen Minimalwert erreicht; und dann wiederum zunimmt.

Nach einem fünften Aspekt ist bevorzugt die Leitschaufel dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand eine Länge einer senkrechten Linie ist, die von der Wölbungsinnenseite der einen Leitschaufel zur Wölbungs­ außenseite der anderen Leitschaufel gezogen ist.

Nach einem sechsten Aspekt ist bevorzugt die Leitschaufel dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömung an der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel in einem Bereich stabilisiert wird, wo der Abstand den Maximalwert einnimmt.

Nach einem siebten Aspekt ist bevorzugt die Leitschaufel dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömung an der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel in einem Bereich stabilisiert wird, an dem der Abstand den Minimalwert einnimmt.

Nach einem achten Aspekt ist bevorzugt die Leitschaufel dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verhältnis der Sehnenlänge der Leitschaufel zum Abstand zwischen benachbarten Leitschaufeln im Bereich von 1,5 bis 3,0 liegt.

Mit den vierten bis achten Merkmalen wird eine Grenzschicht an der Wölbungsinnenseite in dem Bereich unstabil, in dem der Abstand . zwischen den Wölbungsinnenseiten und den Wölbungsaußenseiten der Leitschaufelkaskade den Maximalwert einnimmt, um eine Ablösung der Grenzschicht zu begünstigen. Hierdurch kann das Entstehen einer Stoß­ welle an der Wölbungsaußenseite, die der unstabil gewordenen Grenz­ schicht gegenüberliegt, unterbunden werden, um den Wellenwiderstand zu reduzieren. Durch die Ablösung der Grenzschicht an den Wölbungsinnenseiten nimmt der Reibungswiderstand ein wenig zu. Jedoch ist diese Zunahme sehr viel geringer im Vergleich zu einer Minde­ rung des Wellenwiderstands, der durch die Dämpfung der Erzeugung der Stoßwelle verursacht wird. Daher kann der Gesamtwiderstand merklich reduziert werden. Zusätzlich erreicht der Abstand zwischen den Wöl­ bungsinnenseiten und den Wölbungsaußenseiten der Leitschaufelkaskade den Maximalwert und nimmt dann auf den Minimalwert ab. Durch Drosselung der Strömung und deren erneute Beschleunigung in dem Bereich, in dem der Abstand den Minimalwert einnimmt, kann daher die Grenzschicht stabilisiert werden, um hierdurch die Ablöseneigung zu unterbinden und hierdurch eine Zunahme des Reibungswiderstands aufgrund der Ablösung der Grenzschicht an der Wölbungsinnenseite zu unterbinden.

Der Abstand zwischen den Wölbungsinnenseiten und den Wölbungs­ außenseiten in der Leitschaufelkaskade kann geeignet als Länge einer senkrechten Linie definiert werden, die von der Wölbungsinnenseite der einen Leitschaufel zur Wölbungsaußenseite der anderen Leitschaufel gezogen wird. Ferner kann der oben beschriebene Effekt besonders zufriedenstellend erreicht werden, indem man das Verhältnis der Sehnen­ länge der Leitschaufel zum Abstand zwischen benachbarten Leitschaufeln in einem Bereich von 1,5 bis 3,0 setzt.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt im Diagramm ein Schaufelprofil nach einer ersten Ausführung und Krümmungsänderungen einer Wölbungsinnenseite und einer Wölbungsaußenseite der Schaufel;

Fig. 2A und 2B zeigen in Diagrammen eine Leitschaufelkaskade der Schaufeln nach der ersten Ausführung und eine Abstandsänderung zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten in der Leitschaufelkaskade;

Fig. 3 zeigt im Diagramm ein Profil einer Schaufel nach einer zweiten Ausführung und Krümmungsänderungen einer Wölbungsinnen­ seite und einer Wölbungsaußenseite der Schaufel;

Fig. 4A und 4B zeigen in Diagrammen eine Leitschaufelkaskade der Schaufel nach der zweiten Ausführung und eine Abstandsänderung zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten in der Leitschaufelkaskade;

Fig. 5 zeigt im Diagramm ein Profil einer Schaufel nach einer dritten Ausführung und Krümmungsänderungen einer Wölbungsinnenseite und einer Wölbungsaußenseite der Schaufel;

Fig. 6A und 6B zeigen in Diagrammen eine Leitschaufelkaskade der Schaufeln nach der dritten Ausführung und eine Abstandsänderung zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten in der Leitschaufelkaskade;

Fig. 7 zeigt im Diagramm die Verteilung eines Sehnenabstands zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten benach­ barter Leitschaufeln;

Fig. 8 zeigt im Diagramm die Beziehung zwischen der Machzahl und dem Druckverlustkoeffizienten;

Fig. 9 zeigt im Diagramm das visualisierte Verhalten der Strö­ mung um die Leitschaufel der ersten Ausführung;

Fig. 10 zeigt im Diagramm das visualisierte Verhalten der Strö­ mung um eine Leitschaufel eines Vergleichsbeispiels;

Fig. 11 zeigt im Diagramm ein Profil der Schaufel des Vergleichs­ beispiels und von Krümmungsänderungen einer Wölbungsinnenseite und einer Wölbungsaußenseite der Schaufel; und

Fig. 12A und 12B zeigen in Diagrammen eine Leitschaufelkas­ kade der Schaufeln des Vergleichsbeispiels und eine Abstandsänderung zwischen zwischen den Wölbungsinnenseiten und Wölbungsaußenseiten der Leitschaufelkaskade.

Eine Leitschaufel nach einer ersten Ausführung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist in einer ringförmigen Fluidpassage in einem Axialverdichter vor­ gesehen. Bei der Leitschaufel ist das linke Ende ein Vorderrand, und das rechte Ende ist ein Hinterrand. Eine Strömungsinnenseite (eine Über­ druckseite), die bei Fluidströmung einen Überdruck erzeugt und eine Wölbungsaußenseite (einer Unterdruckseite), die bei Fluidströmung einen Unterdruck erzeugt, befinden sich über einer Sehnenlinie, welche die Wölbungsinnenseite an zwei Stellen in der Nähe der Vorder- und Hinter­ ränder berührt. Es gibt verschiedene Definitionen für die Sehnenlinie in Abhängigkeit von der Form des Schaufelprofils, wobei jedoch wie hier die Sehnenlinie definitionsgemäß allgemein auf ein Schaufelprofil anwendbar ist, dessen Wölbungsinnenseite und Wölbungsaußenseite beide zur Wölbungsaußenseite hin gekrümmt sind. Die Abszissenachsen und die Ordinaten in den das Schaufelprofil zeigenden Koordinaten sind durch den Prozentsatz ausgedrückt, wobei die Sehnenlänge C als 100% definiert ist.

Die mit durchgehender Linie gezeigte Krümmung der Wölbungsaußenseite nimmt über die gesamte Sehnenlänge C einen positiven Wert ein, und daher ist die Form der Wölbungsaußenseite über die gesamte Sehnen­ länge C nach oben konvex gekrümmt. Andererseits nimmt die mit unter­ brochener Linie gezeigte Krümmung der Wölbungsinnenseite einen positiven Wert im Bereich R2 von 15% bis 80% der Sehnenlänge C ein, nimmt jedoch im Bereich R1 von 0% bis 15% der Sehnenlänge C, und im Bereich R3 von 80% bis 100% der Sehnenlänge C einen negativen Wert ein. Daher ist die Form der Wölbungsinnenseite im zentralen Bereich R2 konvex nach oben gekrümmt, jedoch im Bereich R1 an der Seite des Vorderrands und im Bereich R3 an der Seite des Hinterrands konvex nach unten gekrümmt.

Die Krümmung der Wölbungsaußenseite nimmt monoton vom Vorderrand zum Hinterrand zu und erreicht nahe 40% der Sehnenlänge C einen Maximalwert und nimmt dann monoton ab. Die Krümmung der Wöl­ bungsinnenseite nimmt monoton vom Vorderrand zum Hinterrad zu und erreicht einen Maximalwert nahe 54% der Sehnenlänge C und nimmt dann monoton ab.

An der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel bildet ein Abschnitt, der im Bereich R1 an der Seite des Vorderrands konvex nach unten gekrümmt ist, einen ersten Wulst, und ein Abschnitt, der im Bereich R3 an der Seite des Hinterrands konvex nach unten gekrümmt ist, bildet einen zweiten Wulst.

Die Fig. 2A und 2B zeigen eine Abstandsänderung zwischen einer Wölbungsinnenseite und einer Wölbungsaußenseite zweier benachbarter Leitschaufeln in einer Leitschaufelkaskade von einem Vorderrandab­ schnitt (ein Verengungsabschnitt) zu einem Hinterrandabschnitt. Wie in Fig. 2A gezeigt, ist eine senkrechte Linie von der Wölbungsinnenseite der oberen Leitschaufel zur Wölbungsaußenseite der unteren Leitschaufel nach unten gezogen, und eine Längenänderung der senkrechten Linie in Richtung der Sehne ist in Fig. 2B gezeigt, wobei die Wölbungsaußen­ seite der unteren Leitschaufel geradlinig abgewickelt ist. Die Änderung in Fig. 2, die in Richtung der Ordinatenachse vergrößert ist, ist in Fig. 7 mit durchgehender Linie gezeigt. Der Abstand zwischen der Wölbungs­ innenseite und der Wölbungsaußenseite nimmt vom Vorderabschnitt zum Hinterrandabschnitt zu und erreicht einen Maximalwert bei einem Punkt a nahe 55% der Sehnenlänge C; nimmt dann ab und erreicht einen Mini­ malwert Punkt a' nahe 82% der Sehnenlänge C und nimmt dann wiederum zu.

Bei der Leitschaufel der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführung nimmt die Krümmung einer mit durchgehender Linie gezeigten Wölbungsaußen­ seite über die gesamte Sehnenlänge C einen positiven Wert ein. Daher ist die Form der Wölbungsaußenseite über die gesamte Sehnenlänge C konvex nach oben gekrümmt. Andererseits nimmt die Krümmung einer mit unterbrochenen Linie gezeigten Wölbungsinnenseite im Bereich R2 von 24% bis 66% der Sehnenlänge C und im Bereich R4 von 86% bis 100% der Sehnenlänge C einen positiven Wert ein, nimmt jedoch in einem Bereich R1 von 0% bis 24% der Sehnenlänge C und einen Bereich R3 von 66% bis 86% der Sehnenlänge C einen negativen Wert ein. Daher ist die Form der Wölbungsinnenseite in den zwei Bereichen R2 und R4 nach oben konvex gekrümmt, jedoch in den zwei anderen Berei­ chen R1 und R3 nach unten konvex gekrümmt.

Die Krümmung der Wölbungsaußenseite nimmt vom Vorderrand zum Hinterrand zu und erreicht einen Maximalwert nahe 22% der Sehnen­ länge C, nimmt dann ab und erreicht einen Minimalwert nahe 45% der Sehnenlänge C; und nimmt dann zu. Die Krümmung der Wölbungsinnen­ seite nimmt vom Vorderrand zum Hinterrand ab und erreicht einen Minimalwert bei 22% der Sehnenlänge C; nimmt dann zu und erreicht einen Maximalwert nahe 45% der Sehnenlänge C; nimmt dann ab und erreicht einen Minimalwert bei 73% der Sehnenlänge C; und nimmt dann zu.

Bei der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel bildet ein Abschnitt, der im Bereich R1 an der Seite des Vorderrands konvex nach unten gekrümmt ist, einen ersten Wulst, und ein Abschnitt, der im Bereich R3 an der Seite des Hinterrands konvex nach unten gekrümmt ist, bildet einen zweiten Wulst.

Wie in den Fig. 4B und 7 gezeigt (siehe strichpunktierte Linie) nimmt der Abstand zwischen der Wölbungsinnenseite und der Wölbungsaußen­ seite in der Leitschaufel nach der zweiten Ausführung vom Vorderrand zum Hinterrand zu und erreicht einen Maximalwert bei einem Punkt b nahe 50% der Sehnenlänge C; nimmt dann ab und erreicht einen Mini­ malwert bei Punkt b' nahe 80% der Sehnenlänge C; und nimmt dann wiederum zu.

Bei einer Leitschaufel nach einer dritten Ausführung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, nimmt die Krümmung einer mit durchgehender Linie gezeigten Wölbungsaußenseite im angenähert dem gesamten Bereich einen positiven Wert ein, nimmt jedoch nur in einem Bereich R3 von 58% bis 65% der Sehnenlänge C einen negativen Wert ein. Daher ist die Form der Wölbungsaußenseite im Bereich R3 konvex nach unten gekrümmt. Andererseits nimmt die Krümmung einer mit unterbrochener Linie gezeig­ ten Wölbungsinnenseite in den Bereichen R2, R3 und R4 von von 11% bis 88% der Sehnenlänge C einen positiven Wert ein, nimmt jedoch in einem Bereich R1 von 0% bis 11% der Sehnenlänge C, sowie in einem Bereich R5 von 88% bis 100% der Sehnenlänge C einen geativen Wert ein. Daher ist die Form der Wölbungsinnenseite in den mittleren Berei­ chen R2 bis R4 konvex nach oben gekrümmt, ist jedoch im Bereich R1 an der Seite des Vorderrands und im Bereich R5 an der Seite des Hinter­ rands konvex nach unten gekrümmt.

Die Krümmung der Wölbungsaußenseite nimmt vom Vorderrand zum Hinterrand zu und erreicht einen Maximalwert nahe 32% der Sehnen­ länge C; nimmt dann ab und erreicht einen Minimalwert nahe 62% der Sehnenlänge C; nimmt dann zu und erreicht einen Maximalwert nahe 90 % der Sehnenlänge; und nimmt dann ab. Die Krümmung der Wölbungs­ innenseite nimmt vom Vorderrand zum Hinterrand zu und erreicht einen Maximalwert nahe 28% der Sehnenlänge C; nimmt dann ab und erreicht einen Minimalwert nahe 56% der Sehnenlänge C; nimmt dann zu und erreicht einen Maximalwert nahe 75% der Sehnenlänge C; und nimmt dann ab.

Bei der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel bildet ein Abschnitt, der im Bereich R1 an der Seite des Vorderrands konvex nach unten gekrümmt ist, einen ersten Wulst, und ein Abschnitt, der im Bereich R5 an der Seite des Hinterrands konvex nach unten gekrümmt ist, bildet einen zweiten Wulst.

Wie in den Fig. 6B und 7 gezeigt (siehe Doppelpunktstrichlinie), nimmt ein Abstand zwischen der Wölbungsinnenseite und der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel vom Vorderrand zum Hinterrand zu und erreicht einen Maximalwert an einem Punkt c nahe 70% der Sehnen­ länge C; nimmt dann ab und erreicht einen Minimalwert an einem Punkt c' nahe 93% der Sehnenlänge C; und nimmt dann wiederum zu.

Fig. 11 zeigt ein Vergleichsbeispiel einer Leitschaufel. Die Krümmung der Wölbungsinnenseite des Schaufelprofils nimmt im wesentlichen über die gesamte Sehnenlänge C einen positiven Wert ein, ausschließlich an den äußersten Abschnitten der Vorder- und Hinterränder, und die Krüm­ mung der Wölbungsaußenseite nimmt über die gesamte Sehnenlänge C einen positiven Wert ein. Daher ist die Wölbungsinnenseite nicht mit ersten und zweiten Wulsten versehen, ähnlich wie in den ersten bis dritten Ausführungen. Wie in den Fig. 12B und 7 gezeigt (siehe unterbrochene Linie) nimmt der Abstand zwischen den Wölbungsinnen­ seiten und den Wölbungsaußenseiten in der Leitschaufelkaskade des Vergleichsbeispiels monoton vom Vorderrand zum Hinterrand zu, während die Zunahmerate abnimmt, ohne Maximum- und Minimumwert.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Machzahl und dem Druckver­ lustkoeffizienten am Einlaß der Leitschaufelkaskade der ersten bis dritten Ausführungen und des Vergleichsbeispiels. Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist bei einer Machzahl gleich 0,87 am Einlaß der Leitschaufelkaskade, die ein Konstruktionspunkt ist, der Druckverlustkoeffizient bei jeder der ersten bis dritten Ausführungen etwa 0,05 kleiner als beim Vergleichsbeispiel.

Der oben beschriebene Effekt der ersten bis dritten Ausführungen wird hauptsächlich durch den ersten Wulst erreicht, der an der Wölbungs­ innenseite der Leitschaufel nahe dem Vorderrand vorgesehen ist, sowie durch den zweiten Wulst, der an der Wölbungsinnenseite nahe dem Hinterrand vorgesehen ist. Daher ist es möglich, das Entstehen einer Stoßwelle an der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel zu hemmen, um den Wellenwiderstand zu reduzieren, indem eine Grenzschicht an der Rückseite des ersten Wulsts, der an der Wölbungsinnenseite der Leit­ schaufel nahe dem Vorderrand vorgesehen ist, unstabil gemacht wird, um die Ablösung der Grenzschicht zu fördern. Wenn die Grenzschicht durch den ersten Wulst an der Wölbungsinnenseite abgelöst wird, nimmt der Reibungswiderstand zu, wobei jedoch die Zunahme des Reibungs­ widerstands im Vergleich zur Abnahme des Wellenwiderstands viel geringer ist. Dies kann stark zur Minderung des Gesamtwiderstands beitragen.

Ferner wird die Grenzschicht, die durch den ersten Wulst am Vorderrand der Wölbungsinnenseite unstabil gemacht worden ist, erneut beschleu­ nigt und durch den zweiten Wulst am Hinterrand der Wölbungsinnenseite wieder stabilisiert, wodurch die Ablösungsneigung der Grenzschicht unterbunden wird. Daher kann eine Zunahme des Reibungswiderstands durch Grenzschichtablösung an der Wölbungsinnenseite auf das Mini­ mum gesenkt werden, und ferner kann der Widerstand reduziert werden.

Die Fig. 9 und 10 zeigen visualisierte Verhalten der Strömung um die Leitschaufeln nach der ersten Ausführung bzw. dem Vergleichsbeispiel herum. In der in Fig. 9 gezeigten ersten Ausführung ist der Druckabfall an einem hinteren Abschnitt einer Druckwelle in einem Abschnitt, der strichpunktiert gezeigt ist, gering im Vergleich zu dem im Vergleichs­ beispiel von Fig. 10, was eine Abnahme des Wellenwiderstands bestä­ tigt.

Der Effekt jeweils der ersten bis dritten Ausführung wird nun unter dem Gesichtspunkt einer Leitschaufelkaskade beschrieben.

Der Abstand zwischen der Wölbungsinnenseite und der Wölbungsaußen­ seite in der Leitschaufelkaskade nimmt vom Vorderrand zum Hinterrand zu und erreicht den Maximalwert; nimmt dann ab und erreicht den Minimalwert; und nimmt dann wiederum zu, wie oben beschrieben. In dem die Grenzschicht an der Wölbungsinnenseite in dem Abschnitt unstabil gemacht wird, wo der Abstand den Maximalwert einnimmt, um die Ablösung zu begünstigen, kann daher das Entstehen einer Stoßwelle an der der Grenzschicht gegenüberliegenden Wölbungsaußenseite unter­ bunden werden, um den Wellenwiderstand zu reduzieren. Der Reibungs­ widerstand wird durch die Grenzschichtablösung an der Wölbungsinnen­ seite erhöht, wobei jedoch die Zunahme des Reibungswiderstands im Vergleich zur Abnahme des Wellenwiderstands sehr viel geringer ist. Daher wird der Gesamtwiderstand deutlich reduziert.

Da ferner der Abstand nach Erreichen des Maximalwerts auf das Mini­ mum abnimmt, und dann erneut zunimmt, wird die Strömung an der Wölbungsinnenseite durch Strömungsdrosselung an der Stelle, die dem Minimalwert entspricht, beschleunigt, wodurch die Grenzschicht stabili­ siert wird und daher eine Ablösungsneigung verhindert wird. Im Ergebnis wird die Zunahme des Reibungswiderstands durch Grenzschichtablösung an der Wölbungsinnenseite unterbunden, wodurch der Widerstand der gesamten Leitschaufel weiter reduziert werden kann.

In der ersten Ausführung kann die Position Xa des Vorderendes des zweiten Wulsts bei 80% der Sehnenlänge C liegen, und bei 65% der Sehnenlänge C in der zweiten Ausführung und bei 88% der Sehnenlänge C in der dritten Ausführung. Sie kann jedoch auch bei jeder Stelle im Bereich von 60% bis 90% liegen, und auch in diesem Fall läßt sich ein ausreichender Effekt erzielen. Die Position Xb des Hinterendes des ersten Wulsts kann in der ersten Ausführung bei 15% der Sehnenlänge C liegen, bei 24% der Sehnenlänge C in der zweiten Ausführung und bei 11% der Sehnenlänge in der dritten Ausführung. Sie kann jedoch bei jeder Stelle im Bereich von 5% bis 40% liegen, und auch in diesem Fall läßt sich ein ausreichender Effekt erzielen.

Die Dichte (das Verhältnis der Sehnenlänge C zum Abstand zwischen benachbarten Leitschaufeln) beträgt in den ersten bis dritten Ausführun­ gen 2,0, kann jedoch auch im Bereich von 1,5 bis 3,0 liegen und auch in diesem Fall läßt sich ein ausreichender Effekt erzielen.

Es wird eine Leitschaufel für einen Axialverdichter angegeben, bei dem der Wellenwiderstand durch die Erzeugung einer Stoßwelle im Überschall­ bereich minimiert werden kann. Zu diesem Zweck besitzt die Leitschaufel in dem Axialverdichter eine einen Überdruck erzeugende Wölbungs­ innenseite und eine einen Unterdruck erzeugende Wölbungsaußenseite. Sowohl die Wölbungsinnenseite als auch die Wölbungsaußenseite liegen auf einer Seite einer Sehnenlinie. An der Wölbungsinnenseite der Leit­ schaufel im Bereich ihres Vorderrands ist ein erster Wulst und im Bereich ihres Hinterrands ist ein zweiter Wulst ausgebildet. Die Erzeugung einer Stoßwelle an der Wölbungsaußenseite kann gedämpft werden, um den Wellenwiderstand zu reduzieren, indem eine Grenzschichtablösung an der Wölbungsinnenseite durch den ersten Wulst aktiv gefördert wird. Zusätzlich kann die Grenzschicht, die durch den ersten Wulst an der Wölbungsinnenseite unstabil gemacht wird, an dem zweiten Wulst an der Wölbungsinnenseite wieder stabilisiert werden, und daher kann eine Zunahme des Reibungswiderstands durch die Grenzschichtablösung an der Wölbungsinnenseite minimiert werden.

Claims (8)

1. Leitschaufel für einen Axialverdichter, mit einer einen Überdruck erzeugenden Wölbungsinnenseite und einer einen Unterdruck erzeugenden Wölbungsaußenseite, wobei die Leitschaufel in einer ringförmigen Fluidpassage anzuordnen ist, wobei sowohl die Wölbungsinnenseite als auch die Wölbungsaußenseite an einer Seite einer Sehnenlinie liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufel an der Wölbungsinnenseite seitens des Vor­ derrands einen ersten Wulst und seitens des Hinterrands einen zweiten Wulst aufweist.

2. Leitschaufel für einen Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand Xa vom Vorderrand zum Vorderende des zweiten Wulsts, bezogen auf die Sehnenlänge C, im Bereich von 0,60 < Xa/C < 0,90 liegt.

3. Leitschaufel für einen Axialverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand Xb vom Vorderrand zum Hinterende des ersten Wulsts, bezogen auf die Sehnenlänge C, im Bereich von 0,05 < Xb/C < 0,40 liegt.

4. Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter, umfassend eine große Anzahl von Leitschaufeln, die in einer ringförmigen Fluid­ passage anzuordnen sind, wobei jede Leitschaufel eine einen Überdruck erzeugende Wölbungsinnenseite und eine einen Unter­ druck erzeugende Wölbungsaußenseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verteilung von Abständen in Sehnenrichtung zwischen der Wölbungsinnenseite einer zweier benachbarter Leitschaufeln und der Wölbungsaußenseite der anderen der zwei benachbarten Leitschaufeln von einem Vorderrand zu einem Hinterrand zunimmt und einen Maximalwert erreicht; dann abnimmt und einen Minimal­ wert erreicht; und dann wiederum zunimmt.

5. Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand eine Länge einer senkrechten Linie ist, die von der Wölbungsinnenseite der einen Leitschaufel zur Wölbungs­ außenseite der anderen Leitschaufel gezogen ist.

6. Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömung an der Wölbungsaußenseite der Leitschaufel in einem Bereich stabilisiert wird, wo der Abstand den Maximalwert einnimmt.

7. Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömung an der Wölbungsinnenseite der Leitschaufel in einem Bereich stabilisiert wird, an dem der Abstand den Minimal­ wert einnimmt.

8. Leitschaufelkaskade für einen Axialverdichter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Sehnenlänge der Leitschaufel zum Abstand zwischen benachbarten Leitschaufeln im Bereich von 1,5 bis 3,0 liegt.