Strömung in einer Radialverdichterstufe mit Rückführung

In dieser Arbeit wird das Verhalten der Komponenten einer Radialverdichterstufe mit Rückführung anhand von Strömungssimulationen und detaillierter Messdaten analysiert. Es wird detailliert auf die Strömungsvorgänge in der 180°-Umlenkung eingegangen und die zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge erklärt. Die Verdichterstufe entspricht einer Frontstufe eines einwelligen, mehrstufigen Radialverdichters für Anwendungen in der Prozessindustrie. Im Auslegungspunkt reduzieren die Verluste im Rückführsystem den Stufenwirkungsgrad um ca. 5%-Punkte. Mit steigendem Durchsatz steigen die Verluste im Rückführsystem an, weshalb der Stufenwirkungsgrad bei hohen Durchsätzen, stark abnimmt. Somit weist das Rückführsystem großes Potential zur Verbesserung des Wirkungsgrads auf.

Die Analyse der Strömung im Rückführsystem zeigt die Bedeutung der 180°-Umlenkung für den Stufenwirkungsgrad, da die Umlenkung die größten Verluste im Rückführsystem verursacht und das Anströmprofil der Rückführpassage bereitstellt. Dieses Anströmprofil begünstigt aufgrund der dicken Nabengrenzschicht starke Sekundärströmungen in der Rückführpassage, welche zu hohen Verlusten in der Passage und der folgenden 90°-Umlenkung führen. Die Strömung in der 180°-Umlenkung wird durch die spannweitigen Gradienten aufgrund der meridionalen Kanalkrümmung dominiert. Die Stärke der Krümmungseffekte und die Höhe der Verluste ist von der räumlichen Stromlinienkrümmung abhängig. Sie nimmt mit steigendem Zuströmwinkel, steigender Meridionalgeschwindigkeit und zunehmender meridionaler Krümmung zu. Die Krümmung des Strömungskanals führt zu einer starken meridionalen Beschleunigung der Strömung an der Nabe und zu einer Verzögerung der Strömung am Gehäuse. Sie ruft starke Geschwindigkeits- und Winkelgradienten über der Kanalhöhe hervor. Diese werden durch turbulente Schubspannungen in der Umlenkung verlustbehaftet abgebaut. Somit hat der Turbulenzgrad entscheidenden Einfluss auf das Strömungsfeld in der Umlenkung.