Einfluß der Laufrad-Diffusor-Interaktion auf das Betriebs- und Verlustverhalten einer hochbelasteten Radialverdichterstufe

Betreuer: Dr.-Ing. K. U. Ziegler

Gelingt es bei Axialverdichtern zum Teil schon recht gut, die dreidimensionale, reibungsbehaftete und instationäre Strömung im Stufenverband, das heißt einschließlich der Laufrad-Leitrad-Interaktion, mit Hilfe numerischer Strömungsrechnungen zu simulieren, so ist man bei Radialverdichtern von diesem Ziel noch weiter entfernt. Dies spiegelt zum einen den insgesamt noch niedrigeren Kenntnisstand über die komplexe und ungeordnete Strömung in den langen Schaufelkanälen von Radialverdichtern wieder, ist zum anderen aber auch in dem größeren Einfluß der weiter komplizierenden Laufrad-Leitrad-Interaktion auf die Strömung in beiden Stufenkomponenten begründet. Es besteht daher auf der experimentellen Seite noch ein großer Forschungsbedarf, um die Strömungsvorgänge in Radialverdichtern mit beschaufelten Diffusoren weiter zu entschlüsseln.

Diesem Zweck dient am Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen eine hochbelastete, unter realistischen Betriebsbedingungen arbeitende Radialverdichterstufe, bei der sowohl das Laufrad als auch der beschaufelte Diffusor hochsubsonisch angeströmt werden. Der Keilschaufeldiffusor ermöglicht eine unabhängige Verstellung des Schaufelanstellwinkels und der Radialspaltweite zwischen Laufradaustritt und Eintritt in die Diffusorbeschaufelung. Details über Stufe und Prüfstand finden sich in der Prüfstandbeschreibung zum Radialverdichter.

Ziel der Untersuchungen ist die Klärung des Einflusses der genannten Geometrieparameter auf die instationären Wechselwirkungen zwischen Laufrad und Diffusor und die Strömung in diesen Komponenten sowie im Ergebnis auf das Betriebs- und Verlustverhalten der Stufe. Im Vordergrund steht die Radialspaltweite, die den Grad der Instationarität der Diffusorströmung und die Intensität der Rückwirkungen der Diffusorschaufeln auf die Laufradströmung und damit auch den Grad der Instationarität der relativen Laufradströmung bestimmt. Von eben diesem Instationaritätsgrad wird angenommen, daß er nicht unerheblichen Einfluß auf die Güte der sich ausbildenden Strömung nimmt. Um diese Fragen zu untersuchen, werden detaillierte stationäre und instationäre Strömungsfeldmessungen bei Variation der Diffusorgeometrie vorgenommen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem beschaufelten Diffusor, da er einen größeren Anteil an den Stufenverlusten hat und auch die Betriebsbereichsgrenzen der Stufe bestimmt.

In einer ersten Meßreihe wurden zunächst umfangreiche stationäre Sondenmessungen im Diffusor bei elf verschiedenen Diffusorgeometrien durchgeführt, um zum einen die Abhängigkeit der integralen Verluste der Stufenkomponenten von den beiden Geometrieparametern zu bestimmen, und zum anderen erste Detailinformationen über die Diffusorströmung und damit über die Ursachen unterschiedlich großer Diffusorverluste zu gewinnen. Die Strömung wurde im Diffusoraustritt mit pneumatischen Dreilochsonden und einer Temperatursonde räumlich hoch auflösend vermessen. Weiterhin wurde die Totaldruckverteilung kurz nach dem Laufradaustritt mit miniaturisierten Pitotsonden bestimmt. Die Ergebnisse zeigen eine überraschend eindeutige Abhängigkeit sowohl der qualitativen Strömungskonfiguration als auch der Laufrad- und Diffusorverluste von der Radialspaltweite und damit von der Laufrad-Diffusor-Interaktion.

Die weitere Klärung der Ursachen dieses Einflusses bleibt der zweiten Meßreihe vorbehalten, bei der mit einem Laser-Zwei-Fokus-Anemometer die periodisch instationäre Strömung erfaßt wird. Es werden Messungen im gesamten Diffusor und im Austrittsbereich des Laufrades durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf dem komplexen, von intensiven Laufrad-Diffusor-Interaktionen geprägten Strömungsgebiet zwischen Laufradaustritt und Diffusorhalsquerschnitt liegt, dem große Bedeutung für die Güte der sich im folgenden entwickelnden Diffusorströmung beigemessen wird. Ein weiterer zentraler Punkt ist die Frage, wie sich näher an das Laufrad heranrückende Diffusorschaufeln auf die Qualität der Strömung im hinteren Laufradabschnitt auswirken. In den verschiedenen Meßquerschnitten, die sich immer von der Nabe zum Gehäuse erstrecken, werden Momentaufnahmen des Strömungsfeldes für jeweils 16 Laufrad/Diffusor-Stellungen aufgenommen.