Industrie-/Transsonischer Radialverdichter

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Der FVV-Radialverdichterprüfstand wurde in Zusammenarbeit mit der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V. (FVV) aufgebaut und im April 2016 in Betrieb genommen. Seitdem werden alle Forschungsvorhaben vom FVV-Arbeitskreis „Radialverdichter“ fachlich begleitet.

 

Technische Daten

  1. Nennleistung: 2 MW
  2. Maximale Drehzahl: 32.256 U/min
  3. Anzahl Druckaufnehmer: 117
  4. Anzahl instationärer Druckaufnehmer: 25
  5. Anzahl Mikrofone: 16
 

Aufbau

Der Radialverdichterprüfstand befindet sich in einem abgeschlossenem Raum der Maschinenhalle, der mit schalldämmender Verkleidung sowie einer ca. 30 cm dicken Stahlbetonschale umgeben ist. Es handelt sich um einen offenen Prüfstand, bei dem atmosphärische Luft durch einen Filterkasten angesaugt wird.

Luftversorgung

Den Übergang zu der DN400-Ansaugrohrstrecke bildet eine ISA-1932-Einlaufdüse, welche mittels einer Differenzdruckmessung der Massenstrombestimmung dient. Der Strömungsrichtung folgend befindet sich ein reflexionsarmer Abschluss zur Dämpfung der saugseitigen Schallabstrahlung des Verdichters. Die Luft wird von der Radialverdichterstufe axial angesogen, verdichtet und durch ein Spiralgehäuse in die Druckleitung geführt. Vor dem Verdichtereintritt befindet sich ein variables Vorleitrad, das der Laufradanströmung einen Vordrall aufprägen kann und je nach Schaufelwinkel die Kennlinie hin zu größeren Massenströmen und höheren Druckverhältnissen oder umgekehrt verschiebt. Am Ende der Druckleitung wird die Luft durch ein Gegendruckdrosselsystem wieder an die Umgebung abgegeben.

Das Drosselsystem besteht aus einer Haupt- und einer Feindrossel und dient der Regelung des Verdichterdruckverhältnisses. Eine Schnellöffnungsfunktion sorgt für eine sekundenschnelle Entlastung des Verdichters bei der Untersuchung kritischer Betriebszustände, wie z. B. dem Verdichterpumpen.

Antrieb

Angetrieben wird die Stufe von einem drehzahlgeregelten Asynchronmotor mit einer Nennleistung von 2 MW. Dieser stellt ein maximales Drehmoment von ca. 12,7 kNm bis zur Nenndrehzahl von 1.500 min-1 zur Verfügung. Das Planetengetriebe ermöglicht mit einem Übersetzungsverhältnis von 17,92 eine maximale Verdichterdrehzahl von 32.256 min-1. Die Antriebsdrehzahl sowie das Drehmoment des Radialverdichters werden u. a. mit Hilfe einer Highspeed-Drehmomentmessnabe telemetrisch erfasst.

Weitere Infrastruktur

Zur weiteren Infrastruktur gehören u. a. eine redundante Ölversorgungsanlage mit einem geregelten Öl-/Wasserkühler und einer Ölheizung. Diese Anlage gewährleistet die Schmierung des Planetengetriebes und der Gleitlagerungen des Radialverdichters.

Das gesamte Antriebssystem sowie die Infrastruktur des Prüfstands werden von einer speicherprogrammierbaren Steuerung gesteuert und überwacht. Mithilfe dieser und zahlreicher Sensoren ist eine automatische Betriebsübewachung des Verdichters möglich, welche im schwerwiegenden Fehlerfall den gesamten Prüfstand betriebssicher stillsetzen kann.

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Forschungszwecke

Aeroakustik

Die in die Druckleitung abgestrahlte Schallleistung stellt einen wichtigen Teil der Schallemissionen eines Radialverdichters dar. Zur Bestimmung dieser Schallleistung sowie zur optimalen Auslegung von sekundären Schallschutzmaßnahmen ist eine genaue Kenntnis über das Schallfeld am Verdichteraustritt erforderlich. Hierfür wurde ein neuartiges Messverfahren entwickelt und am Prüfstand installiert, mit dem die Schallleistung in der Druckleitung mittels 16 wandbündigen, instationären Drucksensoren bestimmt werden kann, die in einer optimierten Anordnung über den Umfang der Druckleitung verteilt sind. Das Messverfahren konnte durch experimentelle Untersuchungen validiert werden und wird nun auf weitere Anwendungsfälle von Radialverdichtern übertragen.

Instationäre Aerodynamik

In aktuellen Forschungsprojekten werden sowohl Teillastinstabilitäten als auch zusätzliche Verlustmechanismen infolge eines nicht optimal passenden Spiralgehäuses untersucht. Bei der Untersuchung der Teillastinstabilitäten werden Phänomene wie rotierende Instabilitäten und Ablösungen untersucht, die Pumpgrenze und -frequenz bestimmt und mit Hilfe der Daten Vorhersagemodelle für diese Phänomene entwickelt, validiert und verbessert. Das variable Vorleitrad sorgt für eine erhöhte Kennfeldbreite und erweitert insbesondere den Teillastbereich mit geringeren Massenströmen. Die vordrallbehaftete Anströmung ist typisch für Industrieverdichter und begünstigt Strömungsinstabilitäten.

Komponentenauslegung

Aufgrund der zahlreichen Anwendungsfälle von Radialverdichtern hat sich eine Standardisierung von Komponenten durchgesetzt. Dazu zählt neben dem Laufrad, welches in einem bestimmten Bereich skaliert werden kann, ebenso das Spiralgehäuse. Damit wird bereits in der Auslegungsphase eine nicht optimale Abstimmung zwischen diesem und dem Rest der Stufe in Kauf genommen. Zusätzlich dazu wird das Spiralgehäuse für eine Drehzahllinie nur in einem Betriebspunkt optimal angeströmt, sodass eine detaillierte Kenntnis der zusätzlichen Verlustmechanismen essentiell für den effizienten und zugleich flexiblen Betrieb von Radialverdichtern ist.

Damit bietet der Prüfstand ideale Voraussetzungen, um industrienahe Forschung zu betreiben.

 

Relevante Referenzen

  1. 1
    A. Fassbender, M. Enneking, P. Jeschke. "Rotor-Alone Tones in the Outflow Noise of a Centrifugal Compressor." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2019: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2B: Turbomachinery. Phoenix, Arizona, USA. 17.–21.Juni , 2019.
  2. 2
    M. Mosdzien, M. Enneking, A. Hehn, D. R. Grates, P. Jeschke. "Influence of Blade Geometry on Secondary Flow Development in a Transonic Centrifugal Compressor." Journal of the Global Power and Propulsion Society 2, Auflage 1, Seiten 429-441, 2018.
  3. 3
    A. Hehn, M. Mosdzien, D. R. Grates, P. Jeschke. "Aerodynamic Optimization of a Transonic Centrifugal Compressor by Using Arbitrary Blade Surfaces." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2C: Turbomachinery. Charlotte, North Carolina, USA. 26.–30. Juni 2017.
  4. 4
    M. Enneking, S. Behre, F. Fruth, P. Jeschke. "Intentional Adjustment of Excitation Source Phasing-Physical Interpretation of Axial Gap Variation." In Proceedings of the 14th International Symposium on Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics and Aeroelasticity of Turbomachines, ISUAAAT14 (I14-S6-1). 2015.