Circumferential groove casing treatments in centrifugal compressor aerodynamics

Abstract

Die vorliegende Dissertation untersucht die Anwendbarkeit von gehäuseseitigen Umfangsnuten in Radialverdichtern. Für Axialverdichter konnten mithilfe dieser Art von casing treatment bereits vielversprechende Verbesserungen erzielt werden, die auch für viele Anwendungsgebiete von radialen Maschinen sehr vorteilhaft wären. Allerdings fehlte es bisher an entsprechenden Studien und die Frage der Übertragbarkeit blieb ebenfalls noch ungeklärt. Aufgrund der stark unterschiedlichen Charakteristik der Strömungsfelder liegt das Hauptaugenmerk dieser Untersuchung einerseits auf der generellen Wirksamkeit dieser Nuten in Radialverdichtern. Andererseits befasst sich die Arbeit mit der zugehörigen Auslegung und den aerodynamischen Wirkmechanismen. Hierfür wurde eine kombinierte Studie konzipiert, bei der sowohl numerische als auch experimentelle Methoden zum Einsatz kommen. Zur Untersuchung verschiedener Nutvarianten wurde ein repräsentativer Radialverdichter samt dem zugehörigen Versuchsstand und den numerischen Modellen entwickelt und aufgebaut. Anschließend wurde im ersten Schritt eine Parameterstudie bezüglich des Einflusses verschiedener Designparameter der Nuten auf die Verdichterströmung durchgeführt. Dabei konnten eindeutige Trends identifiziert werden. Der größte Einfluss wurde für die Lage der Nut beobachtet, wobei sich eine Platzierung in Richtung des Verdichtereintritts als vorteilhaft für Wirkungsgrad und Druckverhältnis erwies. Außerdem erzielten große Anstellwinkel und normalisierte Öffnungsbreiten zwischen 4 und 10% der abgewickelten Schaufellänge die besten Ergebnisse, unabhängig von der Lage. Die Ergebnisse bei Verwendung mehrerer Nuten lassen darauf schließen, dass die Einzeleffekte überlagert werden können, ohne dass es zu einer negativen gegenseitigen Beeinflussung kommt. Darüberhinaus konnte ein vergleichmäßigender Effekt auf die gehäusenahe Strömung festgestellt werden, der Grund zur Annahme einer Stabilitätserweiterung darstellt. Basierend auf den Ergebnissen konnten entsprechende Auslegungsrichtlinien abgeleitet werden. Zusätzlich wurden zwei vielversprechende Varianten für weitere Tests und genauere Untersuchungen ausgewählt und gefertigt. Hierfür wurden zwei verschiedene Diffusoren, mit und ohne Beschaufelung, eingesetzt, um eine klare Abgrenzung der Effekte zu ermöglichen. Im Großen und Ganzen zeigten die Messungen eine deutliche Verbesserung des Verdichterkennfelds für beide Varianten. Der stabile Betriebsbereich konnte, abhängig von der jeweiligen Konfiguration und der entsprechenden Drehzahlkennlinie, um mehrere Prozentpunkte erweitert werden. Zusätzlich wurde eine Verbesserung der Wirkungsgrades und des Gesamtdruckverhältnisses beobachtet, wobei typische Verbesserungen von etwa einem halben Prozentpunkt im Gesamtwirkungsgrad erreicht werden. Sowohl die experimentellen Daten als auch die numerischen Resultate führen diese Effekte auf eine Beeinflussung der gehäusenahen Strömung zurück. Als Hauptmechanismus kann dabei die Verminderung von aerodynamischen Versperrungen identifiziert werden, die zu einer Erweiterung des Betriebsbereichs und zur verbesserten Verdichterleistung führt. Im Wesentlichen ermöglichen wirksame Nuten eine Umverteilung der lokalen Schaufelspaltströmungsanteile, was zu einer Abschwächung der saugseitigen Beeinflussung der Hauptströmung, und damit zu einer Abschwächung der Versperrungen, führt. Allerdings wurden Unterschiede bezüglich der Nutlage in Bezug auf die Verdichterstabilität ausgemacht. Nuten im unmittelbaren Eintrittsbereich beeinflussen direkt die Entstehung des Spitzenspaltwirbels, was zu einer entsprechenden Ablenkung und Abschwächung führt. Dies wiederum verzögert das Überströmen in benachbarte Passagen, was die Instabilität der Strömung im subsonischen Bereich initiiert. Nuten im gekrümmten Bereich des Verdichters hingegen entlasten die stark versperrten Bereiche nahe der Zwischenschaufeln durch die Vermeidung von Rückströmungen und Überströmeffekten, welche für die Destabilisierung bei transonischen Bedingungen verantwortlich sind.