Numerische Analyse eines Radialverdichters mit Spiralgehäuse und unbeschaufeltem Diffusor

Abstract

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird ein Radialverdichter der Firma Liebherr Aerospace samt Spiralgehäuse und unbeschaufeltem Diffusor analysiert. Für die Analyse wird zu- nächst nur das Laufrad mit unbeschaufeltem Diffusor simuliert und das Verhalten des Verdichters im Auslegungspunkt untersucht. Es wird das grundlegende Betriebsverhal- ten des Verdichters anhand von Kennfeldern gezeigt und auf Grundlage von Strömungs- größen auf der Schaufeloberfläche festgestellt, dass der Verdichter im Auslegungspunkt grundsätzlich subsonisch arbeitet. Der Druckaufbau findet primär in den hinteren zwei Dritteln der Schaufel statt, wodurch auch die Schaufelbelastung hier am größten ist. In Betriebspunkten an der Pumpgrenze ist eine positive Inzidenz in der Zuströmung feststell- bar und hohe Verluste, die im Gehäusebereich generiert werden. Maßgeblichen Einfluss auf diese Verluste und die Pumpgrenze hat der Spaltwirbel, welcher sich vor allem im Bereich der Schaufelvorderkante bildet. Auch im hinteren Bereich der Schaufel deuten sich Ablösungen an, die den Pumpzustand auslösen können. In Betriebspunkten an der Sperrgrenze ist eine starke negative Inzidenz in der Zuströmung festzustellen, wodurch die Druckverhältnisse auf der Druck- und Saugseite der Schaufel im vorderen Bereich der Passage umgekehrt sind. Dies führt zu einer Spaltströmung, die von der Saug- zur Druckseite gerichtet ist und sich erst umkehrt, wenn ab ca. 20 % der Schaufellänge der Druck auf der Druckseite wieder höher ist als auf der Saugseite. Im Schaufelkanal bildet sich ein Sperrstoß aus, der charakteristisch für die Strömung an der Sperrgrenze ist. Im Weiteren wird der Verdichter zusammen mit dem Spiralgehäuse simuliert, wobei sich bei der Strömung durch die Spirale ein Totaldruckverlust feststellen lässt, welcher vor allem abhängig vom jeweiligen Zuströmwinkel am Eintritt der Spirale ist und auch die Totaldruckverhältnisse im Verdichterkennfeld beeinflusst. Die Struktur der Strömung in der Spirale ist ebenfalls vom Betriebspunkt abhängig. Bei großen Massenströmen und kleinen Einströmwinkeln bildet sich ein gleichmäßiger Wirbel auf den Querschnitten der Spirale. Bei kleinen Massenströmen und großen Eintrömwinkeln besteht hingegen die Tendenz zur Ausbildung von zwei gegenläufigen Wirbeln auf den Querschnitten. Des Weiteren ist zu sehen, dass auch in der Spirale eine Diffusorwirkung vorhanden ist und somit der statische Druck im Verlauf der Spirale weiter ansteigt. Am Ende dieser Masterarbeit wird auf die numerische Konfiguration der Simulationen eingegangen, wobei festgestellt wird, dass eine Mixingplane nur am Übergang zwischen zwei strukturierten Netzblöcken verwendet werden sollte. Zusätzlich sollte als Austritts- bedingung in unstrukturierten Netzen eine Riemann-Randbedingung genutzt werden. Mit diesen Verbesserungen ergibt sich ein besseres Konvergenzverhalten und eine robustere Konfiguration.