Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle Untersuchung der Strömungsinstabilitäten im Teillastbereich eines durch Eintrittsdrall geregelten Industrie-Radialverdichters mit hoher Kennfeldbreite

Das Forschungsziel des Vorhabens ist, ein erweitertes Verständnis der Strömungsinstabilitäten und ihres Einsetzens in Industrie-Radialverdichtern zu erlangen. Diese Instabilitäten schränken den Betriebsbereich nicht nur stark ein, sondern treten in vielen Fällen im Bereich hoher Wirkungsgrade auf, sodass im Anlagenbetrieb ausgerechnet der effizienteste Betriebsbereich nicht genutzt werden kann. Zudem entstehen durch die Instabilitäten dynamische Anregungen, weshalb ein dauerhafter Betrieb jenseits der Instabilitätsgrenze zu gravierenden Schäden am Verdichterlaufrad führen kann. In diesem Vorhaben soll anhand kombinierter Analysen aus stationären und instationären experimentellen Prüfstandsversuchen und CFD-Simulationen ein erweitertes Verständnis über die Ursachen und Eigenschaften der verschiedenen Ablösungserscheinungen in Radialverdichterstufen an der Instabilitätsgrenze generiert werden. Hierfür steht eine eigens für diese Untersuchungen ausgelegte und gefertigte Industrieverdichterstufe mit einer verstellbaren Vorleitreihe auf einem der modernsten Radialverdichterprüfstände Europas zur Verfügung. Zusätzlich werden bereits vorhandene Vorhersagemodelle mit den gewonnenen Erkenntnissen abgeglichen, bewertet und erweitert. Um eine optimale Verwertung dieser Forschungsergebnisse zu erzielen, wird auf deren Basis eine programmtechnische Umsetzung entwickelt. Für die beteiligten Firmen besteht der große Vorteil darin, dass für sie die Geometriedaten sowie die experimentellen und numerischen Ergebnisse dieses Industrieverdichters offengelegt werden. Dies ist insbesondere für KMU vorteilhaft, da sie oft keine Möglichkeit haben, firmeninterne Designmethoden zu validieren. Mit Hilfe des zur Verfügung gestellten Programms können die Forschungsergebnisse ohne weiteres in die Auslegungskette der KMU integriert und für eine zuverlässigere Prognose des Instabilitätsverhaltens genutzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Das Kennfeld eines Industrieradialverdichters wurde auf verschiedenen Kennlinien mit niedriger, Auslegungs- und Überdrehzahl mit verschiedenen Vordrallstellungen (Mit- und Gegendrall sowie drallfrei) vermessen. Hierbei lag der Fokus der Untersuchungen auf dem Teillastbereich, wo verschiedene Instabilitätsphänomene auftreten. Zusätzlich wurde auf allen gemessenen Kennlinien auch die Betriebsgrenze des Verdichters in Form der Pumpgrenze ermittelt.

Die Untersuchungen zeigen, dass der Vordrallregler (IGV) im niedrigen Drehzahlbereich keinen nennenswerten Effekt auf die Pumpgrenze hat, den Betriebsbereich bei der Auslegungs- und Überdrehzahl jedoch signifikant erweitert. Der Vordrallregler hat auf allen Drehzahllinien einen signifikanten Einfluss auf die Art der auftretenden Instabilitätsphänomene. Somit sind Kennlinien mit Mitdrall besonders anfällig für Rotating Stall mit 3 bis 4 Zellen mit einer Umlaufgeschwindigkeit von ca. 20 % der Rotordrehzahl im gesamten Laufrad. Bei drallfreier Anströmung und bei Gegendrall tritt mildes Verdichterpumpen (leichte Massenstromschwankungen) vor der Betriebsgrenze auf.

Diese Erkenntnisse können für die Validierung von Modellierungen genutzt werden. Im Rahmen dieses Projekt kann keine abschließende Empfehlung für ein industriell anwendbares Modell gegeben werden, da die Beobachtungen stark von der betrachteten Verdichtergeometrie abhängen. Durch die detaillierte Vermessung des Kennfeldes kann dennoch der Trend beurteilt werden, sodass der Schwerpunkt einer entsprechenden Validierung offenkundig ist.