Experimentelle Untersuchungen an stark umlenkenden Überschallverzögerungsgittern

70 Pages·1966·2.206 MB·German

by  Dr.-Ing. Horst-Georg Schmalfuß, Prof. Dr.-Ing. W. Dettmering (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1677
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
vom Landesamt für Forschung, Düsseldorf
DK 62-152.004.13:533.6.071
533.6.011.55: 62-546
Dr.-Ing. Horst-Georg Schmalfuß
Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschillen
der Rhein.-Westj. Techn. Hochschule Aachen
Prof Dr.-Ing. W. Dettmering
Experimentelle Untersuchungen an stark
umlenkenden Überschallverzögerungsgittern
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-06303-2 ISBN 978-3-663-07216-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07216-4
Verlags-Nt. 011677
© 1966 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen 1966
Inhalt
1. Einleitung ..................................................... 7
2. Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. Beschreibung der Gitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4. Windkanal ..................................................... 10
5. Meßstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
6. Meßeinrichtung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
7. Experimentelle Ergebnisse ....................................... 13
8. Zusammenfassung............................................... 21
9. Literaturverzeichnis 23
Anhang.......................................................... 25
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1. Einleitung
Die Untersuchung ebener Gitter in Windkanälen ist besonders einfach. Diese
ebenen Gitter entstehen aus der Abwicklung koaxialer Zylinderschnitte durch die
Beschaufelung axial durchströmter Turbomaschinen. Die Strömung durch das
ebene Gitter kann wesentliche Aufschlüsse über die Strömung innerhalb der Be
schaufelung einer Turbomaschine geben. Bei der Entwicklung einer mit hohen
Überschallgeschwindigkeiten durchströmten Turbomaschine ist daher zunächst
die einfache Untersuchung der Überschallströmung im ebenen Gitter sinnvoll.
Bei den meisten Überschallturbomaschinen muß wegen der mit der Maschine ver
bundenen Rohrleitungen oder Ruheräume von Über-auf Unterschallgeschwindig
keit verzögert und gleichzeitig umgelenkt werden. Der Wirkungsgrad kann bei
einer schlechten Energieumsetzung 30% betragen, bei entsprechenden Ver
besserungen aber auf 75% ansteigen. Wie auch die von der NASA durchge
führten Untersuchungen an Überschallturbomaschinen gezeigt haben, gehören
gerade die Überschallverzögerungsgitter zu den empfindlichsten Bauteilen der
Turbomaschine. Ihre eingehende Analyse soll hier behandelt werden.
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2. Bezeichnungen
M Machzahl
Re Reynoldszahl
d V orderkantendicke
h Schaufelhöhe
I Schaufelprofillänge
P Druck
t Teilung des Gitters
x Sondenverschiebung
;}
Kartesische Koordinaten
ß Strömungswinkel
Horizontale und vertikale Verschiebung des geraden Gitterteils (bei Gitter 3
~}
und 4)
Indizes
m mittel
o oben
u unten
o
Ruhe (Kessel- oder Gesamtdaten)
1 vor dem Gitter
2 nach dem Gitter
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3. Beschreibung der untersuchten Gitter
Die vier experimentell untersuchten Gitter sind stark umlenkende Verzögerungs
gitter, die die Überschallströmung entweder am Gittereintritt oder innerhalb des
Gitters auf Unterschallgeschwindigkeiten verzögern. Einige der Gitter sind mit
dem Charakteristikenverfahren ([1], S. 288 und 290) konstruiert worden, dessen
Anwendung auf Gitterkonstruktionen und insbesondere auf den Übergang von
der Parallel- zur Potentialwirbelströmung in [2] und [3] ausführlich behandelt
ist.
Im Gitter 1 (Abb. 1, vgl. auch [4]) wird die Überschallströmung im Potential
wirbel umgelenkt, danach in eine Parallelströmung geformt und durch einen
senkrechten Stoß in Unterschallströmung verwandelt und im anschließenden
Unterschalldiffusor weiter verzögert. Beim Gitter 2 (Abb. 2), das dem Gitter 1
geometrisch gleich ist, befindet sich der senkrechte Stoß bereits am Eintritt.
Das Gitter 3 (Abb. 3) ist ein Tandemgitter (Doppelreihengitter), das die Über
schallströmung im Potentialwirbel umlenkt. Der Hauptgrund für die Auft eilung
des Gitters in einen Umlenk-und in einen geraden Gitterteilliegt darin, daß die im
geraden Gitterteil stattfindende Verzögerung auf Unterschallgeschwindigkeiten
von der Umlenkung und damit von der Konturgrenzschicht des Umlenkteils
getrennt ist.
Das Gitter 4 (Abb. 4) ist analog wie bei den Gittern 1 und 2 dem Gitter 3 geo
metrisch gleich, der senkrechte Stoß befindet sich lediglich am Gittereintritt.
Damit ist die Charakteristikenkonstruktion des Gitters 3 nicht mehr gültig, aber
die Wirkung des Doppelreihengitters, nämlich die Trennung von Umlenkung
und Verzögerung, bleibt erhalten, da die Unterschallströmung erst im geraden
Gitter und nicht oder nur wenig während der Umlenkung verzögert wird. Nach
der Aussage der experimentellen Untersuchungen ist das Gitter 4 am besten zu
verwenden.
Die unterschiedlichen Bezeichnungen der einzelnen Gitter wurden absichtlich ge
wählt, obwohl die Gitter 1 und 2 bzw. 3 und 4 geometrisch gleich sind, denn die
wesentlichen Unterscheidungsmerkmale sind durch die Strömung gegeben, die
auf Grund der verschiedenen Stoßpositionen den jeweils geometrisch gleichen
Gittern einen vollkommen anderen Charakter verleiht.
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4. Windkanal
Die Überschallgitter werden in einem Windkanal1 untersucht, der im offenen Kreis
lauf arbeitet (Abb. 5 und 6). Der Kompressor, dessen Antriebsleistung 1400 kW
ist und der eine Menge von 5,5 kgjs bei einem statischen Druck am Kompressor
ende von 5,5 ata fördert, befindet sich vor dem Windkanal. Am Ende des Wind
kanals ist eine Drossel, mit der sich die Zustände in der Meßstrecke gut beein
flussen lassen.
Durch den Windkanal strömt nicht die gesamte Luftmenge des Kompressors. Ein
Teil gelangt durch eine Sonderleitung, mit deren Regelschieber die für den Kanal
gewünschte Menge eingestellt werden kann, in die Atmosphäre.
1 von der Firma Stal-Laval Turbin AB, Schweden, freundlicherweise zur Verfügung
gestellt.
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5. Meßstrecken
Die Meßstrecken der Gitter sind in Abb. 7 zu sehen. Das Doppelreihengitter
(Gitter 3 und 4), das aus zwei einzelnen, zueinander verschiebbaren Gittern be
steht, wird von einer subtilen Meßstrecke aufgenommen, die halbgeöffnet noch
mals in Abb. 8 gezeigt ist. Hier kann man das Versuchsgitter, die Glasplatten, die
Meßsonde und die Drossel erkennen.
Die Schaufeln werden direkt an den Glasplatten befestigt. Die der Gitter 1 und 2
sind mittels Bolzen und Bohrungen mit den Glasplatten verbunden, und die der
Gitter 3 und 4 werden mit ihrer vollständigen Kontur oder mit einem Rechteck
profil in die Glasplatten in ultraschallgebohrte Senkungen eingesetzt.
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6. Meßeinrichtung
Bei den experimentellen Untersuchungen werden der Ruhedruck und der statische
Druck vor und hinter dem Gitter gemessen und schlierenoptische Strämungs
bilder fotografiert.
Die Druckmessung vor dem Gitter erfolgt wegen der gleichmäßigen Zusträmung
in einem Punkt. Hinter dem Gitter werden der Ruhedruck mit einem Pitotrohr
im Mittelschnitt an sehr vielen Punkten und der statische Druck an einem Punkt
(zur Kontrolle an weiteren Punkten) gemessen, da der Ruhedruck im Gegensatz
zum statischen Druck starken Schwankungen in der Austrittsebene unterworfen
ist.
Die schlierenoptischen Strämungsbilder, die je nach Wahl der Schlierenkante
schwarzweiß oder farbig sind, erlauben nur qualitative Aussagen.
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