Sekundärströmungen im Rückführsystem einer Radialverdichterstufe

Das Rückführsystem ist ein charakteristisches Merkmal mehrstufiger Radialverdichter, wie sie in industriellen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen. Darin soll die Strömung verlustarm homogenisiert und dem Laufrad der nachfolgenden Stufe möglichst drallfrei zugeführt werden. Durch die Umlenkungen werden der Strömung Druckgradienten aufgeprägt, die zur Ausbildung starker Sekundärströmungen und damit zu hohen Ausmischungsverlusten führen. Dabei sind die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Rückführkomponenten ausschlaggebend für die Intensität der sekundären Strömungsstrukturen. Insbesondere Frontstufen solcher Verdichter sind aufgrund der hohen durchgesetzten Volumenströme und der dafür notwendigen großen Kanalhöhen von Sekundärströmungen geprägt.

Diese Arbeit bietet eine tiefgreifende Analyse der Sekundärströmungen und ihrer Entstehungsursachen im Rückführsystem. Dabei wird besonderer Wert auf das Verständnis der Interaktion zwischen den Rückführkomponenten gelegt. Diese Analyse erfolgt vorwiegend anhand experimenteller Daten, die an einem eigens dafür entwickelten Radialverdichterprüfstand erfasst wurden. In Kombination mit numerischen Daten ist es möglich, die Verlustgebiete aufzudecken und entsprechende Verbesserungspotentiale abzuleiten.

Mittels einer analytischen Abschätzung der Aufteilung der Gesamtverluste auf die einzelnen Verlustanteile anhand der Messergebnisse wird gezeigt, dass ca. 60% der Verluste des Rückführsystems aus der Reibung an den Kanalwänden resultieren. Weitere 30 - 40% entstammen der Ausmischung der Sekundärströmungen, während die Verluste aufgrund von Inzidenz und Impulsverlust an der Hinterkante der Rückführschaufeln nur geringen Anteil haben. Das größte Verbesserungspotential zur Minimierung der Verluste wird in der 180° -Umlenkung gesehen. Durch sie wird die Strömung in die zentripetale Richtung umgelenkt und das Zuströmprofil zur Rückführbeschaufelung ausgebildet. Aufgrund ihrer starken Krümmung kommt es in der zweiten Umlenkungshälfte zur Ausbildung einer dicken Nabengrenzschicht, die starke Sekundärströmungen innerhalb der nachfolgenden Schaufelpassage induziert. Durch eine Verringerung der Krümmung sowie eine stärkere Flächenaufweitung in der zweiten Umlenkungshälfte könnten die Strömungsgeschwindigkeit und die nabenseitige Verzögerung reduziert und somit die Reibungs- und Ausmischungsverluste minimiert werden.