Radialverdichter

  Radialverdichter Urheberrecht: © RWTH | IST

Radialverdichter werden in prozesstechnischen Anlagen der chemischen und petrochemischen Industrie eingesetzt, um Gase mit unterschiedlichsten Zusammensetzungen zu fördern und zu verdichten. Im Bereich der Antriebstechnik werden Radialverdichter als Abgasturbolader sowohl in maritimen Anwendungen als auch in Kraftfahrzeugen zur Aufladung des Verbrennungsmotors genutzt. Darüber hinaus kommen Radialverdichter auch in kleinen Fluggasturbinen der unteren Schubklasse als Endstufe eines vorgeschalteten Axialverdichters zum Einsatz. Im Zuge der Reduzierung der CO2-Emissionen des Verkehrssektors sind elektrisch angetriebene Radialverdichter interessant, um eine Brennstoffzelle kathodenseitig aufzuladen.

 

Technische Einführung

Radialverdichter werden in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. Zu ihren Vorzügen gehören neben dem verhältnismäßig einfachen Aufbau und geringen Kosten, die Robustheit hinsichtlich variierender Betriebsbedingungen und Fördermedien, ihre hohe Leistungsdichte sowie die kompakte axiale Bauform.

Die im Allgemeinen im Vergleich zu Axialverdichtern geringeren Wirkungsgrade sind vor allem auf die stark sekundärströmungsbehaftete Strömung im Laufrad zurückzuführen, die wegen der kleinen Höhen-zu Seitenverhältnisse sowie infolge der axial-radialen Umlenkung einsetzende Corioliskraft unvermeidbar sind.

 

Innovation mit Historie

Die Zentrifugalpumpe wurde um Jahr 1689 von Denis Papin erfunden.

 

Forschungstrends

Akustik-Simulation Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST

Akustik in Druckleitungen

Das Projekt baut auf den Vorgängervorhaben „Akustik in Druckleitungen“ auf. Ziel ist es, ein robustes, flexibel einsetzbares und kostengünstiges akustisches Messverfahren zu entwickeln und experimentell zu validieren, um die von einem Radialverdichter abgestrahlte Schallleistung auf der Druckseite möglichst genau zu erfassen. Gegenüber aufwendigen und kostenintensiven Drehkanalsektionen wird das hier verwendete Messsystem mit einer geringen Anzahl an Messsensoren auskommen.

Während die Entwicklung des Verfahrens im ersten Teil des Projektes erfolgte, ist das Ziel der hier beantragten zweiten Projektphase, die experimentelle Anwendbarkeit des Verfahrens unter industrienahen Bedingungen nachzuweisen und die gewonnen Messdaten mit den Ergebnissen der numerischen Simulationen der ersten Projektphase abzugleichen. Zusätzlich sollen die zugrunde liegenden Modelle um den industriell relevanten Anwendungsfall beschaufelter Diffusoren erweitert werden.

Mit Hilfe des neu entwickelten Messsystems sind Unternehmen aus dem Bereich der Turbomaschinen in der Lage, das von Radialverdichtern abgestrahlte Schallfeld über die gesamte Kennfeldbreite unter industriellen Bedingungen zu messen und so lärmarme Radialverdichterdesigns zu bewerten sowie sekundäre Schallschutzmaßnahmen optimal zu dimensionieren.

Brennstoffzellen-Verdichterauslegung

Wasserstoff-Brennstoffzellenantriebe sind besonders im PKW-Langstrecken-, Nutzfahrzeug- und Schienenverkehr attraktiv, da sie hohe Reichweiten bei kurzen Betankungszeiten ermöglichen. Die in Antriebssträngen eingesetzten Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellen werden kathoden-(luft-)seitig aufgeladen. Die Anhebung des Brennstoffzellen-Stack-Betriebsdrucks dient in erster Linie der Steigerung des Stack-Wirkungsgrades bzw. dessen Leistungsdichte. Aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich des erforderlichen Bauraumes, der Kosten, der Schallemissionen und der Lebensdauer werden elektrisch angetriebene Radialverdichter eingesetzt.

Jedoch müssen die Radialverdichter für PEM-Brennstoffzellen bereits bei sehr kleinen Massenströmen verhältnismäßig hohe Druckverhältnisse erreichen. Weitere Herausforderungen sind die durch den elektrischen Antrieb und Umrichter begrenzte Verdichterdrehzahl sowie die im Vergleich zum PKW-Abgasturbolader erhöhten Anforderungen an Wirkungsgrad und Körperschallemissionen. Insbesondere aufgrund der Drehzahlbeschränkung kann bei der Auslegung von Radialverdichter für PEM-Brennstoffzellen nur bedingt auf bestehende Designs aus der Abgasturboaufladung zurückgegriffen werden.

Daher soll im Rahmen dieses Forschungsvorhaben ein Leitfaden für die zielgerichtete Auslegung von Brennstoffzellen-Luftverdichtern erarbeitet und anhand einer beispielhaft ausgeführten Geometrie experimentell validiert werden.

 

Umfangsinhomogene Radialverdichterströmung

  Teil- vs. Vollkranz Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST
 
 

Im Rahmen des Projektes soll an drei Radialverdichterstufen mit Spiralaustrittsgehäuse untersucht werden, in welchem Maße Umfangsinhomogenitäten am Diffusoraustritt die Strömung innerhalb der Verdichterstufe beeinflussen. Solche Umfangsinhomogenitäten können beispielsweise durch das Spiralaustrittsgehäuse im Off-Design-Betrieb verursacht werden.

Das Forschungsziel besteht in einer qualitativen und quantitativen Bewertung der Auswirkungen eines umfangsinhomogenen Druckfelds auf die Charakteristik des Verdichters und dessen Strömung.

Industrieverdichter mit breitem Kennfeld

Am IST wurde die Industrieverdichterstufe im Rahmen von früheren Forschungsvorhaben aufgebaut. Das vorliegende Vorhaben verfolgt das Ziel, die Instabilitätsphänomene, welche den Fahrbereich der Maschine und damit die nutzbare Kennfeldbreite einschränken, zu untersuchen. Hierzu werden die auftretenden Instabilitäten in der Verdichterstufe mittels instationär messender Drucksensoren identifiziert und lokalisiert.

Anhand der experimentellen Daten und mithilfe numerischer Strömungssimulationen sind die in der Literatur beschriebenen Vorhersagemodelle und -methoden für Instabilitäten auf Ihre Eignung und Genauigkeit zu überprüfen. Das Ziel dieser Untersuchungen ist, Erkenntnisse über die an der Instabilitätsgrenze auftretenden physikalischen Phänomene zu gewinnen und deren Interaktion zu verstehen.

Darauf aufbauend soll ein Simulationstool entwickelt werden, um diese Instabilitäten vorherzusagen und qualitativ sowie quantitativ bewerten zu können. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für die Ableitung von konstruktiven Maßnahmen, welche die ermittelten Strömungsphänomene dämpfen oder unterdrücken sollen.

  Wärmestrom Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST

Radialverdichter-Modellvalidierung

Im Rahmen dieses Projekts sollen 2D-/3D-Berechnungsverfahren zur Konzeptionierung von Radialverdichtern weiterentwickelt werden. Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erzielen, sollen bestehende Verfahren auf der Grundlage einer breiten Datenbasis verifiziert werden.

Gleichzeitig werden Vorauslegungs- und Skalierungsregeln von Radialverdichtern mit einem breiten Stabilitätsbereich entwickelt.

Radialverdichter im flexiblen Betrieb

Im Rahmen dieses Projekts soll ein grundlegendes Verständnis über die Interaktion zwischen Impeller, Diffusor und Spiralgehäuse bei Auslegungs- und Off-Design-Betriebspunkten geschaffen werden, um zukünftige Radialverdichter bei flexiblen Betriebsweisen betreiben zu können. Hierfür wird der Einfluss verschiedener Spiralgrößen und Diffusoren auf die stationäre und instationäre Aerodynamik der Verdichterstufe sowie auf die druckseitige Schallabstrahlung bei auslegungsfernen Betriebspunkten experimentell und numerisch untersucht.

Die Analysen beziehen sich auf den Vergleich zweier Spiralgehäuse und zweier Diffusorgeometrien (unbeschaufelt und beschaufelt). Als weitere Einflussgrößen auf das Betriebsverhalten können der Zuströmwinkel mittels variablen Eintrittsleitschaufeln, die Drehzahl und der Gegendruck variiert werden. Somit wird eine experimentell und numerisch validierte Wissensbasis zum Zusammenwirken der Komponenten als Grundlage einer flexiblen Auslegungsphilosophie generiert.

Zur Erreichung dieses Ziels wird ein neues, betriebsoptimiertes Spiralgehäuse ausgelegt, konstruiert und gefertigt. Darüber hinaus wird ein beschaufelter Diffusor aus dem vorangehenden FVV-Vorhaben konstruiert und gefertigt. Vor allem das neu generierte und experimentell verifizierte Wissen über die geometrieabhängige Interaktion der einzelnen Komponenten bei auslegungsfernen Betriebspunkten stellt zusammen mit dem offenen Testfall einen großen Nutzen dar.