Betriebsverhalten einer Radialverdichterstufe mit aerodynamisch profiliertem Diffusor

Landgraf, Christian; Jeschke, Peter; Benetschik, Hannes

doi:42537

Betriebsverhalten einer Radialverdichterstufe mit aerodynamisch profiliertem Diffusor = Performance of a centrifugal compressor stage with a vaned diffuser

Landgraf, Christian^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Landgraf

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Wissenschaftsverlag Mainz 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-501-3

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jeschke, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Benetschik, Hannes (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-04-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-08263
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/967844/files/967844.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen (413510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
compressor performance (frei) ; flow measurements (frei) ; radial compressor (frei) ; secondary flow (frei) ; throat vortex (frei) ; vaned diffuser (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Diese Arbeit umfasst die experimentelle Untersuchung einer Radialverdichterstufe mit aerodynamisch profiliertem Diffusor und einreihigem Deswirler aus einer Flugtriebwerksanwendung. Für eine vergleichende Gegenüberstellung werden experimentell gewonnene Daten einer Stufe mit identischem Rotor herangezogen, bei der das Diffusionssystem aus einem Röhrendiffusor und einem zweireihigen Deswirler aufgebaut ist. Radialverdichterstufen mit Röhrendiffusoren weisen in der Regel einen relativ schmalen Betriebsbereich und einen hohen Wirkungsgrad auf. Das Entwurfsziel der Stufenkonfiguration mit aerodynamisch profiliertem Diffusor ist eine Verbreiterung des Betriebsbereichs mit minimalen Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrads. Ob es erreicht wurde, soll in dieser Arbeit untersucht werden. Eine detaillierte Analyse der Stufenkonfiguration mit aerodynamisch profiliertem Diffusor offenbart zunächst ein generell ähnliches Betriebsverhalten wie das der Röhrendiffusorkonfiguration. Bei Androsselung der Stufe steigt der Druckaufbau im Diffusoreintrittsbereich bis zum Diffusorhals degressiv an. Hierfür sind ein zunehmendes Flächenverhältnis sowie eine steigende Machzahl am Laufradaustritt verantwortlich. Im nachfolgenden Kanalbereich bis hin zum Stufenaustritt hingegen ergibt sich aufgrund einer sinkenden Machzahl im Diffusorhals ein regressiv fallender Druckanstieg. Der Betriebsbereich der Stufenkonfiguration mit aerodynamisch profiliertem Diffusor fällt gegenüber dem der Röhrendiffusorkonfiguration wie erwartet wesentlich breiter aus. Allerdings sind die Wirkungsgradeinbußen höher als erwartet. Der statische Druckaufbau des neuen Designs ist über den gesamten Betriebsbereich deutlich kleiner als der des bisherigen Designs und wird von einem hohen Totaldruckverlust begleitet. Als ausschlaggebender Faktor für dieses Betriebsverhalten konnte im Rahmen dieser Arbeit eine großskalige Sekundärströmungsbewegung identifiziert werden, deren Ursprung im Laufrad der Stufe liegt: der Halswirbel. Er entsteht durch die gleichförmige Umlenkung der spannweitig verscherten Laufradabströmung im Diffusoreintrittsbereich. Die Ausbildung dieses Wirbels, dessen Rotationsachse in Strömungsrichtung verläuft, wird durch das Design des aerodynamisch profilierten Diffusors mit seiner großen Teilung sogar noch begünstigt. Durch den Halswirbel entsteht im hinteren Bereich des Diffusorkanals nahe der Druckseite ein ausgedehntes Gebiet niedrigen Totaldrucks, welches mit einer großen Versperrung des Strömungsquerschnitts einhergeht. Die Folge sind ein verringertes effektives Flächenverhältnis des Diffusors und ein verminderter statischer Druckaufbau. Der nachfolgende einreihige Deswirler wird unter hoher negativer Inzidenz mit einer sehr inhomogenen Anströmung beaufschlagt und kann daher keinen signifikanten Beitrag mehr zum Druckaufbau leisten.

This thesis comprises the experimental investigation of a centrifugal compressor stage with a vaned diffuser and a single row deswirler from an aero engine application. As a comparison experimental data of an alternative stage configuration with the same rotor, a pipe diffuser and a tandem deswirler are considered. Centrifugal compressor stages with pipe diffusers usually exhibit a relatively narrow operating range paired with a high efficiency. The main design objectives of the stage configuration with the vaned diffuser are the achievement of a broader operating range with a minimal penalty in efficiency. Whether the design is successful to that end is to be investigated within this thesis. A detailed analysis of the stage configuration with the vaned diffuser reveals a generally similar performance compared to the pipe diffuser configuration. Throttling of the stage leads to a degressively growing pressure rise in the diffuser inlet region up to its throat. This is attributed to an increasing area ratio in that region and a growing Mach number at the rotor exit. The subsequent diffuser channel up to the stage exit on the other hand encounters a regressively decreasing pressure rise due to a decreasing Mach number at the diffuser throat. As expected the operating range of the vaned diffuser configuration is much broader than that of the pipe diffuser configuration. However, the penalty in efficiency is greater than expected. The static pressure rise of the new design is significantly lower than that of the previous design over the whole operating range and it is accompanied by a high loss in total pressure. The cause for this observation was identified to be a large-scale secondary flow motion originating from the rotor: the throat vortex. It emerges within the diffuser inlet region due to the uniform deflection of the axially distorted rotor discharge flow. The development of this vortex with its axis of rotation parallel to the main flow direction is yet intensified through the large blade pitch of the vaned diffuser. The throat vortex leads to the formation of an extensive zone of low total pressure in the rear region of the diffuser close to its vanes’ pressure sides. The resulting wide blockage of the cross sectional area leads to a decreased effective area ratio of the diffuser and a reduced static pressure rise. The subsequent single row deswirler is exposed to a very inhomogeneous flow with a severe negative incidence and can hence not significantly contribute to the pressure rise of the stage.

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