Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Numerische Untersuchung der Radialverdichterströmung unter Einfluss der durch das Spiralgehäuse induzierten umfangsinhomogenen Druckverteilung

Das wissenschaftliche Ziel des Forschungsvorhabens ist, ein erweitertes Verständnis für die Auswirkungen von umfangsinhomogenen Druckverteilungen am Diffusoraustritt von Radialverdichtern auf die Impeller- und Diffusorströmung zu erlangen. Umfangsinhomogene Strömungen treten abhängig vom Betriebspunkt bei Radialverdichtern mit Spiralgehäusen zwangsläufig auf und führen zu erhöhten Verlusten in der Verdichterströmung. In dem Vorhaben sollen insbesondere die wirkungsgradmindernden instationären aerodynamischen Vorgänge erfasst und analysiert werden.

Die Forschungsgrundlage bilden URANS-Simulationen, welche für strukturierte Vollkranz-Rechengitter mit ca. 80 Mio. Gitterpunkten auf Hochleistungsrechnern durchgeführt werden. Die Berechnung des gesamten 3D-Strömungsfeldes ermöglicht dabei eine detaillierte Analyse der durch den Spiraleinfluss induzierten instationären Phänomene, wodurch die Unterschiede zum Zustand mit homogener Umfangsdruckverteilung qualitativ und quantitativ erfasst werden können. Um die Übertragbarkeit auf andere Verdichterstufen beurteilen zu können, wird dabei der Einfluss verschiedener Ausprägungen der Inhomogenität für jeweils unterschiedliche Verdichtergeometrien auf die Strömung erforscht. Die Simulationsergebnisse können mit bereits vorhandenen (in)stationären Messdaten abgeglichen werden. Abschließend wird überprüft, inwieweit die ermittelten Wirkungsgradminderungen durch eine vereinfachte Berechnungsmethode im industriellen Auslegungsprozess abgeschätzt werden können.

Die wirtschaftliche Zielsetzung des Vorhabens liegt in der Verbesserung der Güte des Auslegungsprozesses von Radialverdichtern mit Spiralgehäuse. Die Auslegung von Radialverdichtern, insbesondere die Durchführung stationärer sowie instationärer numerischer Simulationen, stellt ein großes Geschäftsfeld für KMU dar, wodurch diese besonders von den umfangreichen Simulationen, dem Abgleich mit Messdatensätzen sowie dem neuen Grundlagenwissen profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die durch die umfangsinhomogene Radialverdichterströmung verursachten, zusätzlichen Verluste zu identifizieren und zu erklären sowie deren Sensitivität auf verschiedene Stufengeometrien zu prüfen. Abschließend wurde beurteilt, ob sinnvolle Vereinfachungen der numerischen Modelle möglich sind.

Die numerischen Ergebnisse belegen, dass es durch die umfangsinhomogene Radialverdichterströmung zu einem Wirkungsgradverlust kommt (beispielsweise: -1,2% für die Verdichterstufe 1). Diese zusätzlichen Verluste sind überwiegend auf zwei Strömungsphänomene zurückzuführen. Zum einen wird im Laufrad in einem weiten Bereich die Arbeitsumsetzung beeinträchtigt. Zum anderen beeinflusst die umfangsinhomogene Druckverteilung die Sekundärströmungen im Laufrad stark. Diese Erkenntnisse konnten in ähnlicher Form für die zweite betrachtete Verdichterstufe bestätigt werden. Für die dritte Verdichterstufe wird eine starke Abhängigkeit der festgestellten Wirkungsgradverluste vom Betriebspunkt festgestellt. Dies beweist, dass das Vorzeichen des Druckgradienten (in beziehungsweise entgegen der Rotationsrichtung des Laufrads) sowie die vorliegenden Strömungsphänomene wie beispielsweise Stöße ein unterschiedliches Strömungsverhalten bedingen.

Diese Erkenntnisse können für die Validierung von Modellvereinfachungen genutzt werden. Im Rahmen dieses Projektes kann keine abschließende Empfehlung für ein industriell anwendbares Modell gegeben werden, da die Beobachtungen stark von der betrachteten Verdichtergeometrie abhängen. Durch die detaillierten Strömungsanalysen kann dennoch die Charakteristik beurteilt werden, sodass der Schwerpunkt einer entsprechenden Validierung offenkundig ist.