K.-H. Grewe

Im Mittelpunkt der Untersuchungen über die Strömungsvorgänge in axialen Strömungsmaschinen standen in den letzten Jahren die Probleme des ebenen Schaufelgitters, das aus der Abwicklung eines koaxialen Zylinderschnittes durch ein Lauf- oder Leitrad entsteht. Wesentliche Beiträge sind hierzu u. a. von H. Schlichting und Mitarbeitern geleistet worden. Es gelang dabei, die inkompressible Strömung durch ebene Schaufelgitter mit Reibung In befriedigender Übereinstimmung mit Messungen vorauszuberechnen. Nach Lösung dieses Grundproblems tritt die Behandlung weiterer Einflüsse stärker in den Vordergrund, wobei vor allem die Auswirkungen der Kompressibilität des Strömungsmittels großes technisches Interesse besitzen. Die Untersuchung der ebenen Gitterströmung bei hohen Unterschallgeschwindigkeiten ist daher an mehreren Stellen theoretisch und experimentell in Angriff genommen worden. Da die theoretischen Arbeiten bei Annäherung an die Schallgeschwindigkeit vielfach auf Schwierigkeiten stoßen, fällt den experimentellen Untersuchungen in diesem Machzahlbereich erhöhte Bedeutung zu. Die bisher bekanntgewordenen Messungen sind jedoch noch wenig umfangreich und systematisch, so daß eine eingehende Untersuchung dieser Strömungsvorgänge angebracht erscheint. Um einen Überblick über die im ebenen Schaufelgitter bei Annäherung an die Schallgeschwindigkeit auftretenden Strömungsformen zu erhalten, wurden zunächst Druckverteilungsmessungen an der Schaufelkontur in relativ großer Zahl durchgeführt. Die Einfachheit dieser Meßmethode erlaubt es, in Kürze einen Überblick über den Einfluß einiger Parameter in einem weiten Bereich der ebenen Gitterströmung zu gewinnen. Die Messungen wurden im Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal des Instituts für Aerodynamik der Deutschen Forschungsanstalt für Luftfahrt (DFL) in Braunschweig durchgeführt. Bei diesem Kanal [6, 7] können Mach- und Reynoldszahl unabhängig voneinander variiert werden. Diese Eigenschaft wurde im vorliegenden Fall dazu benutzt, die mit der Profiltiefe gebildete Reynoldszahl der Zuströmung bei allen Messungen auf Re1 = 3 x 10^5 konstant zu halten. · Es wurden Schaufelgitter aus den Profilen NACA 0010 und NACA 8410 untersucht; die Profiltiefe betrug 60 mm, die Schaufelhöhe in Spannweitenrichtung 300 mm. Durch systematische Variation von Teilungsverhältnis und Schaufelwinkel ergaben sich 33 Gitteranordnungen, deren jede bei 4 bis 5 Zuströmwinkeln mit je 6 Machzahlen untersucht wurde. Der Machzahlbereich erstreckte. sich dabei auf das gesamte Gebiet der Unterschallanströmung von niedrigen Machzahlen bis zur Sperr-Machzahl. Einige charakteristische Ergebnisse sind auf Bild 1 wiedergegeben, wobei es sich um Untersuchungen an einem ungestaffelten Gitter mit symmetrischem Profil handelt, das die grundsätzlichen Vorgänge besonders deutlich macht. Die Diagramme enthalten den Verlauf des mit dem Staudruck der Anströmung dimensionslos gemachten Druckes über der Schaufelkontur, der über der dimensionslosen Profilkoordinate x/l aufgetragen ist. Ferner ist in einigen Diagrammen der kritische Druckbeiwert Cpkrit angegeben, bei welchem am Profil zuerst die Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Betrachtet man den einfachsten Fall der schaufelparallelen Anströmung (obere Horizontalreihe), so erkennt man zunächst ein Anwachsen der Unterdrücke mit steigender Machzahl, wie es den Wirkungen der Kompressibilität entspricht. Bei einer bestimmten Machzahl wird nahe der Schaufelkontur örtlich Schallgeschwindigkeit erreicht. Diese Machzahl wird als kritische Machzahl bezeichnet. Bei weiterer Steigerung der Machzahl wird endlich auf einer geschlossenen, von Schaufel zu Schaufel verlaufenden Linie Schallgeschwindigkeit erreicht. Tritt dieser Zustand ein, so läßt sich der Durchsatz durch das Gitter nicht mehr steigern, da im engsten Querschnitt eines Strömungskanals höchstens die dem dort vorliegenden Zustand zugeordnete Schallgeschwindigkeit erzielt werden kann. Das Gitter ist also blockiert, die erreichte Machzahl wird als Sperr-Machzahl bezeichnet. Weiter stromabwärts findet eine Verzögerung auf Unterschallgeschwindigkeit in einem Verdichtungsstoß statt, der sich bei der Steigerung des Druckgefälles stromabwärts bewegen wird. Nach Erreichen der Sperr-Machzahl kann also der Durchsatz nicht mehr gesteigert werden, die Druckverteilung und alle mit ihr verbundenen Größen können sich aber noch weiter ändern. Wird die Anströmrichtung geändert, so bilden sich saugseitig erhöhte Geschwindigkeiten aus, wodurch die kritische Machzahl früher erreicht wird. Die nach ihrer Überschreitung auftretenden Verdichtungsstöße treffen von einem gewissen Anstellwinkel ab die Nachbarschaufel erst bei höherer Geschwindigkeit, so daß die Sperr-Machzahl zu höheren Werten verschoben wird. Bei weiterer Steigerung des Anströmwinkels wird der Druckanstieg für die saugseitige Grenzschicht so stark, daß sie sich nach Überschreitung der kritischen Machzahl ablöst; dies hat den Abbau der Saugspitze und die Ausbildung eines Totraumes zur Folge. Einige der Meßergebnisse sind mit theoretischen Werten verglichen worden, die nach einem von H. Schlichting und E. G. Feindt [5] angegebenen Näherungsverfahren ermittelt worden sind. Die Berechnungsmethode fußt auf der Prandtl-Glauert-Transformation, nach welcher dem untersuchten Gitter in kompressibler Strömung ein Vergleichsgitter in inkompressibler Strömung zugeordnet ist, das bei gleicher Profilform kleineres Teilungsverhältnis und stärkere Staffelung aufweist. Dabei gilt als wesentliche Voraussetzung, daß nur geringe Abweichungen von einer reibungsfreien Translationsströmung auftreten und an keiner Stelle die Schallgeschwindigkeit überschritten wird. Die Übereinstimmung von Theorie und Messung wird demnach durch das Auftreten von Ablösungen und Verdichtungsstößen beeinträchtigt werden. Einige der errechneten Druckverteilungen sind in die Diagramme auf Bild 1 eingetragen. Die Übereinstimmung von Theorie und Messung ist offenbar recht gut. Werden die Untersuchungen jedoch auf Gitteranordnungen mit stärkerer Umlenkung ausgedehnt, so zeigt sich, daß die Prandtl-Glauert-Regel die Geschwindigkeitssteigerung durch den Kompressibilitätseinfluß nicht in vollem Umfang wiedergibt. Erhebliche Unterschiede von Theorie und Messung zeigen sich erwartungsgemäß, sobald Ablösungen oder Verdichtungsstöße auftreten.

WGL-Tagung, Stuttart, 1958

Conference Abstract

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 3 Seiten

Jahrbuch der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Luftfahrt 1958; S.94-96; 1958; Braunschweig : Vieweg

NA

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1959