Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2436
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpriisidenten Heinz KUhn
yom Minister fOr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Dipl. - Ing. R. Simon
Institut fUr Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Leiter der Forschungsarbeit: Prof. Dr. -Ing. W. Dettmering
Experimentelle Unter suchungen axialer
Uberschallgitter und ihrer Wechselwirkungen
W estdeutsch er V er lag 1975
© 1975 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02436-3 e-ISBN-13: 978-3-322-88295-0
DOl: 10_1007/978-3-322-88295-0
- I -
Inhaltsverzeichnis
Bezeichnungen und Indizes Seite
1. Aufgabenstellung 1
2. Versuchseinrichtung 2
2.1 Der konstruktive Aufbau der Me~strecke 2
2.2 Anordnung der Me~stellen 5
2.3 Die schlierenoptische Einrichtung 9
2.3.1 Grundlagen 9
2.3.2 Anwendung der Schlierenoptik bei der Unter
suchung von Gittern in rotationssymmetrischer
Anordnung 14
3. Eichversuche 15
3.1 Potentiometer und Druckaufnehmer 15
3.2 Richtungssonde 17
4. Verfahren zur Mittelwertbildung 21
5. VersuchsdurchfUhrung 24
5.1 Ziel der Untersuchungen 24
5.2 Erste Versuche von U. Buskies und deren Diskussion 25
5.3 Erste Versuche mit einer Richtungssonde (v = 0,85) 26
5.4 Versuche mit Deckband (v = 0,85) 28
5.5 Untersuchung des Beschleunigungsgitters und des
=
Tandemgitters (v 0,75) 29
5.6 Untersuchung des Beschleunigungsgitters ohne nach-
geschaltetes Tandemgitter (v = 0,75) 32
5.7 Versuche mit vergro~ertem Axialspalt 35
5.8 Versuche mit Deckband (v = 0,75) 37
6. Auslegung eines zweiten Beschleunigungsgitters mit
ge~ndertem Abstromwinkel, Versuchsergebnisse und
deren Diskussion 38
6.1 Auslegung des Gitters 38
6.2 Untersuchung von Beschleunigungs- und Tandemgitter 39
6.3 Weitere Versuche mit erhohter Schaufelzahl im
Beschleunigungsgitter 41
7. Abschlie~ende Untersuchungen mit dem ersten Beschleu-
nigungsgitter 42
7.1 Untersuchung des Beschleunigungsgitters ohne nach-
geschaltetes Tandemgitter 42
7.2 Untersuchung von Beschleunigungsgitter und Tandem-
gitter 44
7.3 Einflu~ der Sondenposition auf die Me~ergebnisse
hinter dem Tandemgitter 46
8. Zusammenfassung 47
Literaturverzeichnis 49
Verzeichnis der Abbildungen 50
- II -
Bezeichnungen und Indizes
Bezeichnungen
A Fl!che
a Polynomkoeffizient
C m3/kg Konstante im Brechungsgesetz
c m/s Geschwindigkeit
c J/kg K spezifische W!rmekapazit!t
p
F N Kraft
f m Brennweite
f Funktion
g Gangzahl
K KenngrBBe
K Polynomkoeffizient
Isentropenexponent
k
M Machzahl
M Nm Moment
m kg/s Massenstrom
n Brechungsindex
p Druck
Q Summe der Fehlerquadrate
R J/kg K Gaskonstante
R m Radius
r m Radius
S J/sK Entropie
s J/kg K spezifische Entropie
T K Temperatur
t s Zeit
t m Teilung
v m/s Geschwindigkeit
XM digitale GrBBe
x m Abszisse
y m Ordinate
Z Z!hnezahl
z m Ordinate
- III -
Stromungswinkel
C1
S Stromungswinkel
l:!. Differenz
6 Verschiebung
e; m Ordinate
e; Wini.:el
TIp polytroper Wirkungsgrad
TI Konstante
Nabenverhaltnis
\)
p kg/m3 Dichte
cp Verdrehwinkel
- IV -
Indizes
ax axiale Richtung
B Bezugszustand
HUB Nabe
i,i+1 fortlaufende Indizierung
j,k+1 fortlaufende Indizierung
k,u+1 fortlaufende Indizierung
K Kessel
L links
1 links
M Machzahl
M Minimum
M Mitte
m Mitte
m Meridianstromlinie
n Normalenrichtung
R rechts
r rechts
TIP Gehlluse
t Totalzustand
u Umfangsrichtung
a StrOmungswinkel
B StrOmungswinkel
0 vor Beschleunigungsgitter
1 vor Tandemgitter
2 nach Tandemgitter
Sonstige Bezeichnungen
* kritisch
nach Stofl
Mittelwert
Meflwert
erste Ableitung
- 1 -
1. Aufgabenstellung
Die hier durchgefUhrten Versuche an Tandemleitr~dern sind der
zweite Schritt auf dem Wege zur Entwicklung einer Uberschall
verdichterstufe. Dieser Weg zur Leistungskonzentration bei Ver
dichtern durch Steigerung der Stromungsgeschwindigkeiten in
den Uberschallbereich wurde bereits 1943 von A. Weise [1] be
schritten. Die experiment ellen Ergebnisse blieben jedoch hinter
den Erwartungen zurUck. Ahnliche Versuche begannen auch 1941
in den USA [2] und wllrden dort bis 1956 intensiv fortgesetzt.
Die dort bescllriebene Entwicklung begann mit der Konzeption
von Uberschallaufr~dern, die fUr sich allein auch recht gUn
stige experimentelle Ergebnisse lieferten, jedoch im Zusam
menwirken mit Leitr~dern nicht ann~hernd einen Wirkungsgrad
erreichen konnten, wie er bereits bei konventionellen Axial
verdichtern erzielt werden konnte.
Da offenbar die eingesetzten Leitr~der nicht in der Lage waren,
die hohe kinetische Energie wieder in statischen Druck umzu
setzen, wurden die Untersuchungen an diesem Institut zuerst
darauf ausgerichtet, ein geeignetes Uberschallverzogerungs
Gitter zu entwickeln.
Nach ersten Versuchen in den Jahren 1957 und 1958 von W.Dett
mering, K. Leist und K. Oswatitsch [3] entwickelte H.G. Schmal
fu~ [4] auf Vorschlag von W. Dettmering das sogenannte Tan
dem- oder Doppelreihengitter, bei dem die Umlenkung und Ver
zogerung der Stromung auf zwei teilweise ineinander gescho
bene Gitterreihen aufgeteilt wird. Schon die erst en Ergebnisse
zeigten eine deutliche tiberlegenheit dieses Gitters gegenUber
allen bisher bekannten Uberschallverzogerun~sgittern. Neuere
Versuche von W. Dettmering und B. Becker [5J lieferten poly
trope Wirkungsgrade von etwa 90 % fUr das Tandemgitter,so da~
der Einsatz als Leitrad in einer Uberschallverdichterstufe
recht verheiBungsvoll erschien.
Die bisher erw~hnten Versuche an diesem Institut wurden an
Gittern in ebener Anordnung durchgefUhrt. Als zweiter Schritt
auf dem Wege zur Uberschallverdichterstufe sollten diese Git
ter in rotationssymmetrischer Anordnung untersucht werden, urn
den EinfluB der Wandreibung und der Sekund~rstromungen zu er
fassen. Der Aufbau des PrUfstandes sowie erste Versuche wurden
von U. Buskies [6] durchgefUhrt. Die bei dies en Untersuchungen
gemessenen Wirkungsgrade von knapp 70 % bedeuteten gegenUber
den Ergebnissen in ebener Anordnung eine derartige Verschlech
terung, daB sie nicht allein auf Wandreibung oder Sekund~r
stromungseffekte zurUckzufUhren ist. Da der Grund fUr die hohe
EinbuBe am Wirkungsgrad offenbar in der Zustromung zum Tandem
gitter lag, wurde das ursprUngliche Forschungsziel, n~mlich
eine systematische Variation der Gittergeometrie des Tandem
gitters moaifiziert. Die untersuchungen sollten nunmehr durch
MeR Rune ~er Stromungsgro~en im Axialspalt zwischen
- 2 -
Beschleunigungs- und Tandemgitter AufschlUsse geben Uber
etwa vorhandene Wechselwirkungen zwischen den beiden Git
terreihen.
2. Versuchseinrichtung
Obwohl das Prinzip der Versuchseinrichtung bereits in der
vorliegenden Arbeit von U. Buskies, Forschungsbericht Nr.
2107 beschrieben wurde, l~Bt es die neue Aufgabenstellung
sinnvoll erscheinen, darauf nochmals ausfUhrlich einzugehen.
Es waren n~mlich sowohl hinsichtlich des PrUfstandaufbaus
als auch der MeBtechnik erhebliche Anderungen erforderlich,
damit das neu gesteckte Forschungsziel erreicht werden konnte.
2.1 Der konstruktive Aufbau der MeBstrecke
Da das Tandemgitter als Leitrad einer Verdichterstufe einge
setzt werden solI, erf~hrt es eine drallbehaftete Zustromung.
In ebener Anordnung l~Bt sich eine Anstromungsgeschwindigkeit
bestimmter GroBe und Richtung leicht realisieren. Es wird
eine drehbare DUse mit verstellbaren oder austauschbaren W~n
den vorgeschaltet, die zudem eine Uber die gesamte Schaufel
hohe gleichm~Bige Anstromung erzeugt. Gerade dies aber l~Bt
sich mit einem stehenden Drallerzeuger nicht verwirklichen,
da die auf jeden Fall vorhandene Umfangskomponente c~ einen
2
Druckgradienten (!£aa) =-p rcu- in radialer Richtung erzeugt.
r u
Hinzu kommt noch ein Anteil, der durch die KrUmmung der
Me~idianstromlinie erzeugt wird. Dabei solI Rm als positiv
gelten, wenn der Radiusvektor nach auBen gerichtet ist.
2
an cm
(.::.L) =_ p_
ar m Rm
Theoretisch konnten sich diese beiden Anteile bei einem ent
sprechenden Verlauf der Meridianstromlinie aufheben. Unter An
nahme eines bei derartigen Berechnungen Ublichen cosinusfor
migen Verlaufs der Meridianstromlinie durch den Drallerzeuger
=
wurde bei verschiedenstencVerwindungsgesetzen (cu konst,
r.cu = konst, a = konst, ~ = konst) jedoch immer ein star
ker Gradient der Machzahl von der Nabe zum Geh~use ermittelt.
Da es mit der Charakteristikenmethode ein genaues Berechnungs
verfahren fUr Uberschallstromungen gibt, bote sich zur Erzeu
gung der Anstromung fUr das Tandemgitter folgende Versuchsan
ordnung an: Eine rotationssymmetrische DUse, deren Berechnung
keine Schwierigkeiten macht, erzeugt eine achsparallele Uber
schallstromung, die notwendige Umlenkung erfolgt in einem
Gitter, das vollst~ndig mit Uberschall durchstromt wird und
- 3 -
sich ebenfalls berechnen laBt. Diese Umlenkung ist jedoch
mit einer Querschnittsverengung und damit einer Machzahlre
duzierung verbunden. Bei den hier angestrebten Daten von
a = 45°und M = 1,45 muBte die rotationssymmetrische Duse
fur eine Austrittsmachzahl von 1,96 ausgelegt sein. Fur die
se Machzahl laBt die Oberschallstartbedingung nur eine Quer
schnittsverengung auf 83 % zu. Dieser Wert wird jedoch bei
einer Umlenkung urn 450 weit unterschritten.
Da diese Art der Drallerzeugung unter den gegebenen Voraus
setzungen nicht anzuwenden ist, mochte ich auf eine weitere
Moglichkeit hinweisen, die praktisch eine Umkehr des vorher
beschriebenen Verfahrens ist, und anschlieBend die Vor- und
Nachteile diskutieren. Die Drallerzeugung erfolgt im Unter
schall, und zwar auf einem groBeren Radius als dem der eigent
lichen MeBstrecke. Da der Drall (r·c ) bei der Reduzierung auf
den geringeren Radius konstant bleib~, erhoht sich c im um
gekehrten Verhaltnis zu den Radien. Durch AusbildungUeines
engsten Querschnitts konnte auch die Axialgeschwindigkeit in
den Oberschall gesteigert werden. Die Unsicherheiten eines
Berechnungsverfahrens konnten durch Verstellung des Draller
zeugers ausgeglichen und die Anstromrichtung zum Tandemver
zogerungsgitter relativ einfach eingestellt werden, da beim
Drallerzeuger nur kleine Winkelanderungen notwendig waren. Der
wesentliche Nachteil, der dieses Verfahren hier nicht hat zum
Einsatz kommen lassen, ist jedoch, da~ die Grenzschichten be
reits lange Anlaufstrecken hinter sich haben und zudem durch
die starke Umlenkung am Gehtiuse zum Ablosen neigen.
Der ausgefuhrte Drallerzeuger, der weiterhin nur noch als Be
schleunigungsgitter bezeichnet wird, ist als konvergent -
divergenter Stromungskanal ausgebildet und lenkt gleichzeitig
urn. Der Oberschallteil stellt sich als die Iltilfte einer sym
metrischen ebenen Duse dar, wobei die Druckseite der Dusenachse
entspricht, auf der die Geschwindigkeitsverteilung vorgegeben
wurde. Da durch die Querschnittsverhaltnisse auch die Eintritts
machzahl festliegt, wurde der Machzahlverlauf auf Saug- und
Druckseite sowie auf der mittleren Stromlinie bis zum Gitter
eintritt fortgesetzt und damit der Unterschalleinlauf berech
net. Dieser Entwurf ist bereits in [6] beschrieben worden.
Einen Zylinderschnitt durch die so entstandene Versuchsbeschau
felung zeigt Abb. 2.1 • Die Stromungsrichtung ist von links nach
rechts. Da be ide Gitter ursprunglich auf einem Nabenbauteil
montiert waren, urn schlierenoptische Beobachtungen zu ermog
lichen, wurde die Teilung des Beschleunigungsgitters mit tn =
26,4 mm und des Tandemgitters mit tTG = 16,6 mm unterschiea2ich
gewahlt, urn verschiedene Positionen aer beiden Gitter zuein
ander realisieren zu konnen.
_ LI -
1m Rahmen der Xnderungen am PrUfstand sind die beiden Git
terreihen auf getrennte NabenkBrper gesetzt worden, wodurch
eine relative Verdrehung der Gitter zueinander ermBglicht
wird.
Zur Erzeugung einer mBglichst gleichfBrmigen StrBmung am Ein
tritt in die Beschaufelung ist der eigentlichen Meestrecke
ein Gleichrichter vorgeschaltet, der mit Honeycombs und Sie
ben bestUckt ist. Durch die besondere Formgebung der Nabe
wird die StrBmung beschleunigt und die Zulaufgrenzschicht an
den W~nden so gering wie mBglich gehalten. Hinter dem Tan
demgitter erfolgt ein weiterer Druckaufbau in einem ringfBr
migen Diffusor. Der gewUnscnte Gegendruck kann mit Hilfe
einer Drossel durch Xnderung der StrBmungsquerschnitte einge
stellt werden.
Abb. 2.2 zeigt einen L~ngsschnitt durch die Meestrecke. Das
Geh~use ist zweischalig aufgebaut, mit einem FUhrungsrohr als
~ueerem Geh~use und mehreren festen oder beweglichen Ringen
gleichen Innendurchmessers als innerem Geh~use. Mehrere Ringe
bilden jeweils die vordere bzw. hint ere Montageeinheit, urn
einen einfachen Umbau der Meestrecke zu ermBglichen. Die Teil
fuge liegt genau am Eintritt des Tandemgitters. Die Nabe be
steht ebenfalls aus mehreren Bauteilen, die einen Umbau auf
verschiedene Nabenverh~ltnisse und die Verwirklichung unter
schiedlicher ZustrBmverh~ltnisse zur Versuchsbeschaufelung
mBglich machen. W~hrend nach der ursprUnglichen Konstruktion
die Nabe Uber die vorderen und hinteren Stege fest mit dem
Geh~use verbunden war, dienen jetzt diese Teile der Nabe nur
noch als Lagerung fUr den mittleren beweglichen Schaufeltr~ger.
Die Ubertragung der Bewegung erfolgt von aueen tiber einen
drehbaren Geh~usering, der tiber Stege mit der Nabe verbunden
ist. Der Ring tr~gt eine Aueenverzahnung, in die das Abtriebs
rad eines Getriebes eingreift. Als Antriebselement dient ein
Schrittmotor, der auf einer Schneckenachse sitzt. Der wesent
liche Vorteil eines Schrittmotors liegt darin, dae er last
unabh~ngig ist, d.h. der Verdrehwinkel fUr eine bestimmte
Schrittzahl wird durch die GrBee des aufzubringenden Monientes
nicht beeinfluet. Das auf der Achse des Abtriebrades ange
brachte Potentiometer dient also lediglich zur Kontrolle der
Stellung, es Ubernimmt keine Regelfunktion durch Vergleich
von Soll- und Istwert.
NatUrlich mue durch eine entsprechende Auslegung dafUr gesorgt
werden, dae das maximal zul~ssige Moment des Motors nicht
Uberschritten wird. Die grBete Belastung durch die StrBmungs
kr~fte tritt bei der Unte"rsuchung des Beschleunigungsgitters
allein auf, da der erzeugte Drall nicht wieder im Tandemgit
ter abgebaut wird.
FUr ein Radienelement dr schreibt sich das durch die StrBmungs
kr~fte ausgetibte Moment dM in der Form:
