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    • 专利摘要:
    Einestark umlenkende und hochtranssonische Schaufel zum Einsatz in einerSchaufelkaskade eines Axialströmungskompressors,wobei eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilungan einer Außenwölbung aneiner Vorderkante der Schaufel einen Überschallbereich mit einerim Wesentlichen konstanten Strömungsgeschwindigkeithinter einem ersten großenWert der Strömungsgeschwindigkeitund innerhalb einer Stelle entsprechend 15% einer Sehnenlänge vonder Vorderkante aufweist. Der Überschallbereichist derart ausgebildet, dass ein durch die Division einer Differenzzwischen den Machzahlen an einem vorderen und einem hinteren Endedes Überschallbereichsdurch eine auf die Sehnenlängebezogene Längedes Überschallbereichskleiner als 1 ist und die maximale Machzahl im Überschallbereich kleiner als1,4 ist. Eine erste großeSchockwelle wird positiv erzeugt an einer Stelle, an der die Strömungsgeschwindigkeiteinen ersten Maximalwert einnimmt, wodurch eine zweite im Überschallbereichmit der im Wesentlichen konstanten Strömungsgeschwindigkeit hintereiner derartigen Position erzeugte Schockwelle abgeschwächt werdenkann. Daher kann eine Grenzschichtablösung aufgrund der zweiten Schockwelleunterdrücktwerden, so dass der Druckverlust in einer nachfolgenden Strömung ander Schaufel deutlich verringert wird.
    公开号:DE102004013645A1
    申请号:DE200410013645
    申请日:2004-03-19
    公开日:2004-10-21
    发明作者:Toshiyuki Wako Arima；Koji Wako Murata；Toyotaka Wako Sonoda
    申请人:Honda Motor Co Ltd；
    IPC主号:F04D29-38
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft eine stark umlenkende und hochtransonischeSchaufel zur Verwendung in einer Schaufelkaskade für einenAxialströmungskompressor,bei dem eine großeAnzahl von Schaufeln, z.B. zehn oder mehr, in einem ringförmigen Fluiddurchgangangeordnet ist, wobei jede Schaufel eine zur Erzeugung eines Überdrucksausgebildete Innenwölbungund eine zur Erzeugung eines Unterdrucks ausgebildete Außenwölbung aufweist.
    [0002] Diejapanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 7-83196 offenbarteine Schaufel für einenAxialströmungskompressor,bei der die Krümmungsverteilungeiner Außenwölbung derSchaufel derart ausgebildet ist, dass die Krümmung sich von einer Vorderkantezu einem Minimalwert hinab verringert, von dort auf einen Maximalwerterhöhtund dann in Richtung zu einer Hinterkante hin verringert, wodurchdie Erzeugung einer Schockwelle an der Vorderkante vermieden wird,so dass eine Verringerung des Druckverlustes erreicht wird.
    [0003] Diejapanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 9-256998 offenbarteine Schaufel für einenKompressor, bei der die Form einer Innenwölbung und die Form einer Außenwölbung einerVorderkante der Schaufel bezüglicheiner mittleren Skelettlinie asymmetrisch sind, wodurch eine plötzliche Veränderungder Strömungsgeschwindigkeitan der Vorderkante verhindert wird, so dass ein Anstieg der Kompressionseffizienzerreicht wird.
    [0004] DasUS-Patent Nr. 4,655,412 beschreibt einen Flügel für ein Flugzeug, bei dem eineAußenwölbung desFlügelsin drei Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungen unterteilt ist, umeine Erhöhung derAuftriebscharakteristik der Schaufel des Flugzeugs zu erreichen,derart, dass die Krümmungvon einem großenWert an einer Vorderkante aus steil zu einem Minimalwert in einemersten Bereich verringert wird, der sich zu einer Position kleinerals 10% einer Sehnelängein der Näheder Vorderkante erstreckt, und die Krümmung wird von dem ersten Minimalwert über einenersten Maximalwert zu einem zweiten Minimalwert bei einer Positionkleiner als 40% der Sehnelängein einem nachfolgenden zweiten Bereich verändert.
    [0005] Beider Schaufel des in der japanischen Patentanmeldungs-OffenlegungsschriftNr. 7-83196 beschriebenen Axialströmungskompressors ist die Krümmungsverteilungder Außenwölbung ander Vorderkante ähnlichderjenigen der vorliegenden Erfindung. Jedoch ist diese Schaufelvon einem Typ mit einem extrem geringen Umlenkwinkel und ist ineiner Grundform und Funktion von einer Schaufel eines stark umlenkendenTyps verschieden, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird.
    [0006] Beider Schaufel des in der japanischen Patentanmeldungs-OffenlegungsschriftNr. 9-256998 beschriebenen Axialströmungskompressors ist die Krümmungsverteilungder Außenwölbung ander Vorderkante ähnlichderjenigen der vorliegenden Erfindung. Da jedoch ein vorderer Abschnittoder ein anderer Abschnitt der Krümmungsverteilung im Unterschallbereichliegt, ist der Betriebszustand und die Funktion dieser Schaufelverschieden von der Schaufel, auf die die vorliegende Erfindungangewendet wird und bei der die gesamte Krümmungsverteilung im Überschallbereichliegt.
    [0007] Beidem in dem US-Patent Nr. 4,655,412 beschriebenen Flügel istdie Krümmungsverteilungder Außenwölbung ander Vorderkante ähnlichderjenigen der vorliegenden Erfindung. Da jedoch diese Schaufelin einem Flugzeug verwendet wird, tritt selbst bei Einsatz dieserSchaufel in einer Schaufelkas kade für einen Axialströmungskompressor,auf die die vorliegende Erfindung angewendet wird, eine gewünschte Leistungsfähigkeitnicht auf.
    [0008] Demzufolgeist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine an einer Vorderkanteeiner stark umlenkenden und hochtranssonischen Schaufel zum Einsatzin einer Schaufelkaskade eines Axialströmungskompressors erzeugte Schockwellezu steuern/regeln, wodurch eine Verringerung des Druckverlusteserreicht werden soll.
    [0009] ZurLösungdieser Aufgabe ist gemäß einem erstenMerkmal der vorliegenden Erfindung vorgesehen: eine stark umlenkendeund hochtranssonische Schaufel zur Verwendung in einer Schaufelkaskade einesAxialströmungskompressors,der eine große Anzahlvon in einem ringförmigenFluiddurchgang angeordneten Schaufeln umfasst, wobei jede Schaufeleine zur Erzeugung eines Überdrucksausgebildete Innenwölbungund eine zur Erzeugung eines Unterdrucks ausgebildete Außenwölbung aufweist,wobei eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilungan der Außenwölbung derSchaufel hinter einem ersten großen Wert der Strömungsgeschwindigkeitund von einer Vorderkante der Schaufel aus innerhalb einer 15% einerSehnenlängeentsprechenden Steile einen Überschallbereichmit einer im Wesentlichen konstanten Strömungsgeschwindigkeit aufweist.
    [0010] Mitder obigen Anordnung weist die Strömungsgeschwindigkeitsverteilungan der Außenwölbung derstark umlenkenden und hochtranssonischen Schaufel zum Einsatz inder Schaufelkaskade des Axialströmungskompressorsden Überschallbereichmit der im Wesentlichen konstanten Strömungsgeschwindigkeit innerhalbder 15% der Sehnenlängeentsprechenden Position hinter dem ersten großen Wert der Strömungsgeschwindigkeitauf. Daher wird eine erste Schockwelle positiv an einer Stelle erzeugt,wo die Strömungsgeschwindigkeitden ersten großenWert annimmt, wodurch eine aerodynamische Last in der Nähe der Vorderkanteerhöht werdenkann, und eine in dem Überschallbereichmit der im Wesentlichen konstanten Strömungsgeschwindigkeit, der sichhinter dem ersten großen Wertbefindet, erzeugte Schockwelle kann abgeschwächt werden. Im Ergebnis kanndie Grenzschichtablösungaufgrund der zweiten Schockwelle unterdrückt werden, so dass dadurchder Druckverlust in einer folgenden Strömung an der Schaufel deutlichverringert wird. Daher ist es möglich,einen geringfügigenAnstieg im Druckverlust einer Hauptströmung aufgrund der ersten starkenSchockwelle auszugleichen und dadurch den Gesamtdruckverlust zureduzieren.
    [0011] Gemäß einemzweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich zuder Anordnung des ersten Merkmals der Überschallbereich derart ausgebildet,dass ein durch die Division einer Differenz zwischen den Machzahlenam vorderen und hinteren Ende des Überschallbereichs durch dieauf die Sehnenlängebezogene Längedes Überschallbereichserhaltener Wert kleiner ist als 1 und dass die maximale Machzahlim Überschallbereichkleiner ist als 1,4.
    [0012] Mitder obigen Anordnung ist eine Anstiegsrate der Strömungsgeschwindigkeitim Überschallbereichhinter dem ersten großenWert der Strömungsgeschwindigkeit,nämlichder durch Division der Differenz zwischen den Machzahlen an demvorderen und hinteren Ende des Überschallbereichsdurch die auf die Sehnenlängebezogene Längedes Überschallbereichserhaltene Wert, kleiner als 1, und die maximale Machzahl im Überschallbereichist kleiner als 1,4. Dies stellt sicher, dass die zweite Schockwelleabgeschwächtwerden kann, so dass die Grenzschichtablösung zuverlässig unterdrückt werden kann.
    [0013] Gemäß einemdritten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen: einestark umlenkende und hochtranssonische Schaufel zur Verwendung in einerSchaufelkaskade eines Axialströmungskompressors,der eine großeAnzahl von in einem ringförmigenFluiddurchgang angeordneten Schaufeln umfasst, wobei jede Schaufeleine zur Erzeugung eines Überdrucksausge bildete Innenwölbungund eine zur Erzeugung eines Unterdrucks ausgebildete Außenwölbung aufweist,wobei ein erster kleiner Krümmungswertder Außenwölbung aneiner Vorderkante der Schaufel ausreichend klein gewählt wirdund eine Veränderungder Krümmunghinter dem ersten kleinen Wert klein gewählt wird, wodurch eine erstestarke Schockwelle an der Vorderkante ausgelöst wird, so dass ein Druckverlustin einer Hauptströmungerzeugt wird, und wobei eine zweite schwache Schockwelle hinterder ersten Schockwelle ausgelöstwird, so dass ein Druckverlust in einer nachfolgenden Strömung ander Schaufel reduziert wird, wodurch der Gesamtdruckverlust aufgrundder ersten und der zweiten Schockwelle reduziert wird. Die Reduzierung erfolgtim Vergleich mit einer herkömmlichenSchaufel, die eine erste schwache Schockwelle an der Vorderkanteund hinter der ersten Schockwelle eine zweite starke Schockwellenerzeugt.
    [0014] Mitder obigen Anordnung wird der erste große Krümmungswert der Außenwölbung ander Vorderkante der Schaufel ausreichend klein gewählt und dieKrümmungsveränderunghinter dem Minimalwert wird klein gewählt. Daher wird die erste starke Schockwellean der Vorderkante ausgelöst,so dass sie den Druckverlust in der Hauptströmung erzeugt, und die hinterder ersten Schockwelle ausgelöste zweiteSchockwelle wird abgeschwächt,um die Grenzschichtablösungzu unterdrücken,wodurch Druckverlust in der folgenden Strömung an der Schaufel reduziertwird. Daher kann der Gesamtdruckverlust durch Reduzierung des Druckverlusts dernachfolgenden Strömungan der Schaufel reduziert werden, wobei die Reduzierung die Verschiebungdes Druckverlusts der Hauptströmungbei weitem überwiegt.
    [0015] Gemäß einemvierten Merkmal der vorliegenden Erfindung weist zusätzlich zueiner beliebigen der Anordnungen gemäß dem ersten bis dritten Merkmaldie Krümmungeinen ersten kleinen Wert innerhalb einer Position entsprechend5% der Sehnenlängeauf, wobei der erste Wert kleiner als 0,6 ist.
    [0016] Mitder obigen Anordnung liegt die Position des ersten kleinen Wertsder Krümmungder Außenwölbung ander Vorderkante der Schaufel innerhalb von 5% der Sehnenlänge, wobeider erste kleine Wert kleiner als 0,6 ist. Daher kann ein Effektder Reduzierung des Druckverlusts am effizientesten erhalten werden.
    [0017] Gemäß einemfünftenMerkmal der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu einer beliebigen derAnordnungen gemäß dem erstenbis dritten Merkmal ein Umlenkwinkel der Schaufel gleich oder größer als40° gewählt.
    [0018] Mitder obigen Anordnung kann ein Effekt der Reduzierung des Druckverlustsam effizientesten erhalten werden durch Wählen des Umlenkwinkels der Schaufelgleich oder größer als40°.
    [0019] Gemäß einemsechsten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich zueiner beliebigen der Anordnungen gemäß dem ersten bis dritten Merkmaldie Machzahl der Hauptströmunggleich oder größer als0,825 und kleiner als 1,0.
    [0020] Mitder obigen Anordnung kann ein Effekt der Reduzierung des Druckverlustsam effzientesten erhalten werden durch Einstellen der Machzahl der Hauptströmung gleichoder größer als0,825 und kleiner als 1,0.
    [0021] Dieobigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindungwerden deutlich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformin Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen.
    [0022] 1 ist ein Diagramm, dasSchaufelkaskaden in einer Ausführungsformder vorliegenden Erfindung und in einem Vergleichsbeispiel zeigt.
    [0023] 2 ist ein Graph, der Krümmungsverteilungenvon Außenwölbungenvon Schaufeln der Ausführungsformund des Vergleichsbeispiels zeigt.
    [0024] 3 ist ein Graph, der Strömungsgeschwindigkeitsverteilungenan der Außenwölbung undeiner Innenwölbungder Schaufel der Ausführungsformbei einer Einlass-Machzahl gleich 0,90 zeigt.
    [0025] 4 ist ein Graph, der Strömungsgeschwindigkeitsverteilungenan einer Außenwölbung undeiner Innenwölbungder Schaufel des Vergleichsbeispiels bei einer Einlass-Machzahlgleich 0,89 zeigt.
    [0026] 5A und 5B sind Diagramme, die Strömungsgeschwindigkeitsverteilungenan Vorderkanten der Schaufeln der Ausführungsform und des Vergleichsbeispielszeigen.
    [0027] 6A und 6B sind Diagramme, die Verteilungen vonVerlustkoeffizienten der Schaufeln der Ausführungsform und des Vergleichsbeispielszeigen.
    [0028] 7 ist ein Graph, der Verteilungenvon Verlustkoeffizienten in der Teilungsrichtung von Schaufelkaskadender Schaufeln der Ausführungsformund des Vergleichsbeispiels zeigt.
    [0029] 8 ist ein Graph, der Veränderungender Verlustkoeffizienten der Schaufeln der Ausführungsform und des Vergleichsbeispielsbezüglichder Machzahl zeigt.
    [0030] 9 ist ein Diagramm, dasFormen der Vorderkanten der Schaufeln der Ausführungsform und des Vergleichsbeispielszeigt.
    [0031] Dievorliegende Erfindung wird nun durch eine Ausführungsform unter Bezugnahmeauf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
    [0032] Dievorliegende Erfindung betrifft eine stark umlenkende und hochtranssonischeSchaufel zum Einsatz in einer Schaufelkaskade für einen Axialströmungskompressor. 1 zeigt Schaufelkaskaden, einedurchgezogene Linie deutet eine Schaufel W der Ausführungsformund eine gestrichelte Linie deutet eine Schaufel W eines Vergleichsbeispielsan. Jede der Schaufeln W besitzt eine Innenwölbung Sp (eine Überdruckfläche) undeine Außenwölbung Ss (eineUnterdruckfläche),die jeweils von einer Vorderkante E1 zu einer Hinterkante Et verlaufen,und ist von einem stark umlenkenden Typ mit einer großen Skelettlinie,und ein Umlenkwinkel θ istgleich oder größer als40°. Inder Ausführungsformist eine Teilung der Schaufelkaskade als 50% einer Sehnenlänge C (einemAbstand zwischen der Vorderkante E1 und der Hinterkante Et) definiert.
    [0033] 2 zeigt eine Krümmungsverteilungder Außenwölbung Ss(Unterdruckfläche)von jeder der Schaufeln W. Die Krümmungsverteilung in der SchaufelW der Ausführungsform,die durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist, weist einen ersten Maximalwert a unmittelbar hinter der VorderkanteE1 (an einer 0%-Position) auf, einen ersten großen Wert b in der Nähe einer 40%-Position, einen zweitengroßenWert c in der Nähe einer90%-Position und einen zweiten Maximalwert d unmittelbar vor der Hinterkante Et (aneiner 100%-Position). Diese Schaufel W weist auch einen ersten kleinenWert e unmittelbar hinter demersten Maximalwert a auf, einenzweiten kleinen Wert f in derNähe einer70%-Position und einen dritten kleinen Wert g unmittelbar vor dem zweiten Maximalwert d. Da der erste kleine Wert e unmittelbar hinter dem erstenMaximalwert a liegt, ist seine Krümmung mit0,6 extrem klein. Danach steigt die Krümmung von dem ersten kleinenWert e allmählich zu dem ersten großen Wert b an.
    [0034] Andererseitsweist die Krümmungsverteilung derSchaufel W des Vergleichsbeispiels einen großen Wert h in der Nähe einer 15%-Position und einen kleinenWert i in der Nähe einer70%-Position auf. Weil die Schaufel W des Vergleichsbeispiels dengroßenWert h in der Nähe der 15%-Position aufweist, während dieSchaufel W der Ausführungsformden großenWert b in der Nähe der 40%-Positionaufweist, ist die Krümmungsveränderungin der Ausführungsformdemzufolge sanfter als die des Vergleichsbeispiels.
    [0035] Derhier verwendete Ausdruck "Krümmung" deutet eine durchdie SehnenlängeC dimensionslos gemachte Krümmungan. Die Krümmungist nämlich eineinverse Zahl eines Krümmungsradius,aber der Krümmungsradiusist ein durch die SehnenlängeC dimensionslos gemachter Wert. Wenn ein tatsächlicher Krümmungsradius gleich der Sehnenlänge C ist,ist daher der dimensionslose Krümmungsradius 1,0,und die Krümmungist 1,0. Wenn der tatsächliche Krümmungsradiuszwei Mal so groß wiedie SehnenlängeC ist, ist der dimensionslose Radius der Krümmung 2,0, und die Krümmung ist0,5. Wenn der tatsächlicheRadius der Krümmungdie Hälfteder SehnenlängeC beträgt,ist der dimensionslose Krümmungsradius0,5 und die Krümmungist 2,0.
    [0036] DasMerkmal der Schaufel W der Ausführungsformliegt in der Krümmungsverteilungder Außenwölbung Ssin der Näheder Vorderkante E1, wobei die Schaufel W den ersten kleinen Wert e unmittelbar hinter dem erstenMaximalwert a aufweist, der unmittelbarhinter der Vorderkante E1 existiert, und die Krümmung von dem ersten kleinenWert e sanft ansteigt. Dererste kleine Wert e wird vorder 5%-Position erzeugt und ist kleiner als 0,6. Ein bedeutsamesMerkmal wird in einer Druckverteilung an der Außenwölbung Ss mittels der Krümmungsverteilung derAußenwölbung Ssin der Näheder Vorderkante E1 der Schaufel W der Ausführungsform vorgesehen.
    [0037] Wiein 3 in einem durcheine gestrichelte Kreislinie angedeuteten Abschnitt gezeigt ist,weist in einer Strömungsgeschwindigkeitsverteilungan der Außenwölbung Ssin der Näheder Vorderkante E1 der Schaufel W der Ausführungsform die Machzahl einenersten großenWert j gleich 1,60 auf, derunmittelbar hinter der Vorderkante E1 erzeugt wird, und verringertsich steil von 1,60 auf einen ersten kleinen Wert k gleich 1,30, steigt von diesem sanftauf einen zweiten großenWert l gleich 1,35 an und fällt danach steil von1,35 ab. Der erste kleine Wert k wirdan einer Position entsprechend 3,9% der Sehnenlänge C erzeugt und der zweitegroßeWert l wird an einer Positionentsprechend 12,5% der SehnenlängeC erzeugt. Eine Machzahldifferenz ΔM zwischen dem ersten kleinenWert k und dem zweiten großenWert l wird durch ΔM = 1,35 – 1,30 =0,05 wiedergegeben. Eine auf die Schaufelsehne bezogene Länge ΔX/C zwischendem ersten kleinen Wert k unddem zweiten großenWert l wird durch ΔX/C = 0,125 – 0,039= 0,086 wiedergegeben und folglich wird ein Gradient zwischen demersten kleinen Wert k und demzweiten großenWert l durch ΔM : ΔX/C = 0,58wiedergegeben.
    [0038] Andererseitsweist in 4, die eineStrömungsgeschwindigkeitsverteilungan der Außenwölbung Ssin der Näheder Vorderkante E1 der Schaufel W des Vergleichsbeispiels zeigt,die Machzahl einen ersten großenWert m gleich 1,47 auf, derunmittelbar hinter der Vorderkante E1 erzeugt wird, und fällt steilvon 1,47 auf einen ersten kleinen Wert n gleich1,30 ab, steigt von diesem steil auf einen zweiten großen Wert o gleich 1,44 an und fällt dannwiederum steil ab.
    [0039] 5A und 5B sind Diagramme, die Strömungsgeschwindigkeitsverteilungenan den Vorderkanten E1 der Schaufeln W der Ausführungsform und des Vergleichsbeispielszeigen, in denen ein dichter schraffierter Bereich eine höhere Strömungsgeschwindigkeitund eine stärkereSchockwelle andeutet. 6A und 6B sind Diagramme, die Verteilungenvon Verlustkoeffizienten der Schaufeln W der Ausführungsformund des Vergleichsbeispiels zeigen, und in denen ein dichter schraffierterBereich einen größeren Verlustkoeffizientenandeutet, nämlich inder Reihenfolge von R4>R3>R2>R1.
    [0040] Gemäß der Strömungsgeschwindigkeitsverteilungan der Außenwölbung Ssin der Näheder Vorderkante E1 der Schaufel W der in 3 gezeigten Ausführungsform wird eine ersteSchockwelle SW1 unmittelbar hinter der Vorderkante E1 erzeugt und einezweite Schockwelle SW2 wird hinter der ersten Schockwelle SW1 entsprechenddem ersten und zweiten Wert i und l der Strömungsgeschwindigkeit erzeugt,wie in 5A gezeigt ist.Die erste Schockwelle SW1 ist bei weitem stärker als die zweite SchockwelleSW2.
    [0041] AlsErgebnis wird, wie in 6A gezeigtist, der Bereich R2, der einen geringfügig hohen Verlustkoeffizientenaufweist, hinter der ersten und der zweiten Schockwelle SW1 undSW2 vergrößert, aberder Bereich R4, der einen größten Verlustkoeffizienten hinterder Schaufel W aufweist, wird deutlich verringert, wodurch der gesamteVerlustkoeffizient verringert werden kann.
    [0042] Andererseitswird gemäß der Strömungsgeschwindigkeitsverteilungan der Außenwölbung Ssin der Näheder Vorderkante E1 der Schaufel W des in 4 gezeigten Vergleichsbeispiels eineerste Schockwelle SW1' unmittelbarhinter der Vorderkante E1 erzeugt und eine zweite Schockwelle SW2' wird hinter derersten Schockwelle SW1' entsprechend demersten und dem zweiten großenWert m und o der Strömungsgeschwindigkeit erzeugt,wie in 5B gezeigt ist.In diesem Fall ist jedoch die zweite Schockwelle SW2' stärker alsdie erste Schockwelle SW1'.Daher wird hinter der zweiten Schockwelle SW2' eine große Grenzschichtablösung erzeugt.
    [0043] AlsErgebnis wird, wie in 6A gezeigtist, der Bereich R2, der hinter der ersten und zweiten SchockwelleSW1' und SW2' einen geringfügig großen Verlustkoeffizienten aufweist, verringert, aber derBereich R4, der einen höchstenVerlustkoeffizienten hinter der Schaufel W aufweist, wird deutlich durchdie Grenzschichtablösungerhöht,wodurch der gesamte Verlustkoeffizient erhöht wird.
    [0044] 9 zeigt die Form eines Abschnittsin der Näheder Vorderkante E1 der Schaufeln W sowohl der Ausführungsformals auch des Vergleichsbeispiels.
    [0045] 7 ist ein Graph, der Verteilungenvon Verlustkoeffizienten in der Teilungsrichtung der Schaufelkaskadenan einer Stelle entsprechend 50% der Sehnenlänge C zeigt. Es ist ersichtlichaus 7, dass der Verlustkoeffi zientder Schaufel W der Ausführungsform,der durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist, in einem Hauptströmungsabschnittzwischen benachbarten Schaufeln der Schaufelkaskaden geringfügig erhöht ist,aber in einem nachfolgenden Strömungsabschnittder Schaufel W deutlich verringert ist, und daher der Gesamtverlustkoeffizient verringertist, im Vergleich mit der Schaufel W des Vergleichsbeispiels, derdurch eine gestrichelte Linie gezeigt ist.
    [0046] Beider Schaufel W der Ausführungsformist, wie oben beschrieben, der erste kleine Wert e der Krümmung unmittelbar hinter derVorderkante E1 vorgesehen, um die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen; dieerste Schockwelle SW1 wird dort positiv erzeugt, um eine aerodynamischeLast in der Nähe derVorderkante E1 zu erhöhen;der erste kleine Wert e hinterdem ersten Maximalwert a derKrümmung wirdausreichend verringert; und die Krümmung wird von dort aus nachhinten hin sanft erhöht.Daher kann die an einem vorderen Abschnitt der Schaufel (einer Positionentsprechend ungefähr15% der SehnenlängeC) erzeugte zweite Schockwelle SW2, die die Grenzschichtablösung hinterdem ersten kleinen Wert e verursacht,abgeschwächtwerden. Im Ergebnis kann die Grenzschichtablösung abgemildert werden undder Gesamtdruckverlust aufgrund der ersten und zweiten SchockwelleSW1 und SW2 kann verringert werden.
    [0047] Andererseitsist bei der Schaufel W des Vergleichsbeispiels der Verlustkoeffizienteiner Hauptströmunggeringfügigerhöht,weil die erste Schockwelle SW1' kleinist, aber die Grenzschicht abgelöst wird,weil die zweite Schockwelle SW2' groß ist, wodurchder Verlustkoeffizient einer folgenden Strömung an der Schaufel W deutlicherhöhtwird, was zu einem Anstieg des Gesamtverlustkoeffizienten führt.
    [0048] 8 ist ein Graph, der eineVeränderung desVerlustkoeffizienten relativ zur Machzahl sowohl bei der Ausführungsformals auch beim Vergleichsbeispiel zeigt. 8 zeigt an, dass in einem Bereich derMachzahl kleiner als 0,825 der Verlustkoeffizient der Schaufel Wder Ausführungsformgeringfü gig größer istals der Verlustkoeffizient der Schaufel W des Vergleichsbeispiels,aber dass in einem Bereich der Machzahl größer oder gleich 0,825 der Verlustkoeffizientin der Schaufel W der Ausführungsformbemerkenswert kleiner ist als der Verlustkoeffizient in der SchaufelW des Vergleichsbeispiels. Daher wird bestätigt, dass die Ausführungsformeine großeWirkung der Verringerung des Verlustkoeffizienten bereitstellt.
    [0049] Wieaus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ist es erforderlich,dass die Krümmungsverteilung inder Schaufel W gemäß der vorliegendenErfindung einen Überschallbereichmit einer im Wesentlichen konstanten Strömungsgeschwindigkeit hinterdem ersten kleinen Wert e derStrömungsgeschwindigkeit ander Außenwölbung Ssaufweist, und es ist ebenso erforderlich, dass das hintere Endedes Überschallbereichsinnerhalb einer Stelle entsprechend 15% der Sehnenlänge C (aneiner Stelle entsprechend 12,5% in der Ausführungsform) existiert. Um dieWirkung der Schaufel W gemäß der vorliegendenErfindung maximal zu zeigen, existiert der erste kleine Wert e der Krümmung vorzugsweise vor einerStelle entsprechend 5% der Sehnenlänge C (an einer Stelle entsprechend3,9% in der Ausführungsform)und ist vorzugsweise kleiner als 0,6. Auch der Wert von ΔM : ΔX/C, derein Gradient des Überschallbereichsist, ist vorzugsweise kleiner als 1 (0,58 in der Ausführungsform)und die maximale Machzahl im Überschallbereichist kleiner als 1,4 (1,35 in der Ausführungsform). Ferner ist dieEinlassgeschwindigkeit der Hauptströmung zu der Schaufelkaskadevorzugsweise eine hochtranssonische Geschwindigkeit gleich odergrößer als0,825 und kleiner als 1,0 in Einheiten der Machzahl.
    [0050] Obwohldie Ausführungsformder vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben worden ist, verstehtes sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebeneAusführungsformbeschränktist und verschiedene Modifikationen im Design gemacht werden können, ohnevon dem Gegenstand der in den Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.
    [0051] Einestark umlenkende und hochtranssonische Schaufel zum Einsatz in einerSchaufelkaskade eines Axialströmungskompressors,wobei eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilungan einer Außenwölbung aneiner Vorderkante der Schaufel einen Überschallbereich mit einerim Wesentlichen konstanten Strömungsgeschwindigkeithinter einem ersten großenWert der Strömungsgeschwindigkeitund innerhalb einer Stelle entsprechend 15% einer Sehnenlänge vonder Vorderkante aufweist. Der Überschallbereichist derart ausgebildet, dass ein durch die Division einer Differenzzwischen den Machzahlen an einem vorderen und einem hinteren Endedes Überschallbereichsdurch eine auf die Sehnenlänge bezogeneLänge des Überschallbereichskleiner als 1 ist und die maximale Machzahl im Überschallbereich kleiner als1,4 ist. Eine erste großeSchockwelle wird positiv erzeugt an einer Stelle, an der die Strömungsgeschwindigkeiteinen ersten Maximalwert annimmt, wodurch eine zweite im Überschallbereichmit der im Wesentlichen konstanten Strömungsgeschwindigkeit hintereiner derartigen Position erzeugte Schockwelle abgeschwächt werdenkann. Daher kann eine Grenzschichtablösung aufgrund der zweiten Schockwelleunterdrücktwerden, so dass der Druckverlust in einer nachfolgenden Strömung an derSchaufel deutlich verringert wird.
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] Stark umlenkende und hochtranssonische Schaufel(W) zur Verwendung in einer Schaufelkaskade eines Axialströmungskompressors,der eine großeAnzahl von in einem ringförmigenFluiddurchgang angeordneten Schaufeln (W) umfasst, wobei jede Schaufel(W) eine zur Erzeugung eines Überdrucksausgebildete Innenwölbung(Sp) und eine zur Erzeugung eines Unterdrucks ausgebildete Außenwölbung (Ss)aufweist, wobei eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilungan der Außenwölbung (Ss) derSchaufel (W) hinter einem ersten großen Wert (j) der Strömungsgeschwindigkeitund von einer Vorderkante (E1) der Schaufel aus innerhalb einer15% einer Sehnenlänge(C) entsprechenden Stelle einen Überschallbereichmit einer im Wesentlichen konstanten Strömungsgeschwindigkeit aufweist.
    [2] Stark umlenkende und hochtranssonische Schaufel (W)nach Anspruch 1, wobei der Überschallbereichderart ausgebildet ist, dass ein durch die Division einer Differenzzwischen den Machzahlen am vorderen und hinteren Ende (k, l) des Überschallbereichsdurch die auf die Sehnenlängebezogene Länge(ΔX/C) des Überschallbereichserhaltener Wert (ΔM)kleiner ist als 1 und dass eine Machzahl im Überschallbereich kleiner istals 1,4.
    [3] Stark umlenkende und hochtranssonische Schaufel (W)zur Verwendung in einer Schaufelkaskade eines Axialströmungskompressors,der eine großeAnzahl von in einem ringförmigenFluiddurchgang angeordneten Schaufeln (W) umfasst, wobei jede Schaufel(W) eine zur Erzeugung eines Überdrucksausgebildete Innenwölbung(Sp) und eine zur Erzeugung eines Unterdrucks ausgebildete Außenwölbung (Ss)aufweist, wobei ein erster kleiner Krümmungswert der Außenwölbung aneiner Vorderkante (E1) der Schaufel (W) ausreichend klein gewählt wird und eineVeränderungder Krümmunghinter dem ersten kleinen Wert (e) klein gewählt wird, wodurch eine erstestarke Schockwelle (SW ) an der Vorderkante (E1) ausgelöst wird,so dass ein Druckverlust in einer Hauptströmung erzeugt wird, und wobeieine zweite schwache Schockwelle (SW2) hinter der ersten Schockwelle(SW1) ausgelöstwird, so dass ein Druckverlust in einer nachfolgenden Strömung an derSchaufel (W) reduziert wird, wodurch der Gesamtdruckverlust aufgrundder ersten und der zweiten Schockwelle (SW1, SW2) reduziert wird.
    [4] Stark umlenkende und hochtranssonische Schaufel (W)nach einem der Ansprüche1 – 3,wobei eine Krümmungder Außenwölbung (Ss)der Schaufel (W) einen ersten kleinen Wert (e) innerhalb einer Stelleentsprechend 5% der Sehnenlänge(C) aufweist, wobei der erste kleine Wert (e) kleiner als 0,6 ist.
    [5] Stark umlenkende und hochtranssonische Schaufel (W)nach einem der Ansprüche1 – 4,wobei ein Umlenkwinkel (θ)der Schaufel (W) gleich oder größer als40° gewählt wird.
    [6] Stark umlenkende und hochtranssonische Schaufel (W)nach einem der Ansprüche1 – 5,wobei eine Machzahl einer Hauptströmung zur Schaufelkaskade gleichoder größer als0,825 und kleiner als 1,0 ist.
    [7] Stark umlenkende und hochtranssonische Schaufel (W)nach Anspruch 3, wobei der Gesamtdruckverlust verringert ist imVergleich zu einer Schaufel, die eine erste schwache Schockwelle (SW1') an der Vorderkante(E1) und eine zweite starke Schockwelle (SW2') hinter der ersten Schockwelle (SW1') auslöst.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US20040228732A1|2004-11-18|
    US7056089B2|2006-06-06|
    DE102004013645B4|2016-05-12|
    JP4563653B2|2010-10-13|
    JP2004293335A|2004-10-21|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-10-21| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2016-01-27| R018| Grant decision by examination section/examining division|
    2017-02-14| R020| Patent grant now final|
    2017-08-16| R084| Declaration of willingness to licence|
    2019-10-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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