Einfluss unterschiedlicher Gase auf das Betriebsverhalten mehrstufiger Axialverdichter

Hoffmann, Henrik; Jeschke, Peter; Wirsum, Manfred

doi:HT030745989

Einfluss unterschiedlicher Gase auf das Betriebsverhalten mehrstufiger Axialverdichter = Influence of different gases on the operating behaviour of multistage axial compressors

Hoffmann, Henrik^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Henrik Hoffmann

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jeschke, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Wirsum, Manfred (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-12-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04905
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/986000/files/986000.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen (413510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gasanpassungen (frei) ; Gasbetrieb (frei) ; Gaseigenschaften (frei) ; Verdichter (frei) ; adaption to gases (frei) ; compressor (frei) ; gas operation (frei) ; gas properties (frei) ; similarity (frei) ; Ähnlichkeit (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird der Betrieb eines subsonischen, axialen, achtstufigen Luftverdichters mit verschiedenen Gasen sowohl analytisch als auch numerisch bewertet. Dazu wird das Verhalten der Gase Propan, Kohlenstoffdioxid, Methan und Argon untersucht, die in Verfahren wie Carbon Capture Utilization and Storage, Power-to-Gas und Power-to-Liquid zum Einsatz kommen. Ziel ist es, für diese Gase einen möglichst aerodynamisch ähnlichen Verdichterbetrieb zum Referenzgas Luft zu erreichen. Da die Gase unterschiedliche Stoffeigenschaften aufweisen, müssen gasspezifische Korrekturen am Verdichter vorgenommen werden: Am Eintritt des Verdichters werden zur Aufschlüsselung von Unterschieden des Betriebsverhaltens und gasspezifischen Effekten für alle Gase ähnliche Mach- und Reynoldszahlen eingestellt. Zusätzlich werden stromab des Eintritts Kompressibilitätsunterschiede der Gase ausgeglichen, indem Querschnittsflächen des Verdichters mittels einer in dieser Arbeit entwickelten Methodik iterativ angepasst werden. Somit wird innerhalb des Verdichters eine Einstellung ähnlicher Geschwindigkeitsdreiecke für die jeweiligen Gase erreicht. Die analytischen und numerischen Untersuchungen im Designpunkt zeigen, dass der Isentropenexponent der Haupteinflussfaktor für die Anpassungsmaßnahmen und die Unterschiede im Betriebsverhalten ist. In numerischen Untersuchungen ohne Anpassung des Verdichtergehäuses können mit zunehmender Abweichung des Isentropenexponenten vom Referenzwert Unterschiede der Durchflusskennzahlen in den hinteren Verdichterstufen aufgezeigt werden. Diese Divergenzen können mit der Anpassungsmethodik der Gehäuseradien im Designpunkt eliminiert werden. Trotz Anpassungen bestätigen die numerischen Ergebnisse eine analytisch prognostizierte Erhöhung des Druckverhältnisses und eine Reduktion des Wirkungsgrads mit steigendem Isentropenexponenten. Detailuntersuchungen, wie gasspezifische Änderungen der Grenzschichten, tragen zur Aufschlüsselung des Betriebsverhaltens bei. Darüber hinaus zeigen auch Betriebspunkte im Offdesign für die geometrisch angepassten Konfigurationen einen ähnlicheren Kennlinienverlauf zu Luft als für die unangepassten Konfigurationen. Das durch diese Arbeit generierte Verständnis der Gaseffekte und die aufgezeigte Anpassungsmethodik sind bei der Adaptierung oder Neuauslegung von subsonischen Verdichtern jeglicher Bauart für unterschiedliche Gase von großer Bedeutung. Es hat sich gezeigt, dass beim Betrieb eines axialen Luftverdichters mit unterschiedlichenGasen geometrische und betriebliche Modifikationen notwendig sind. Trotz dieser verbleiben unausweichliche gasspezifische Betriebsabweichungen, deren Ursachen nahezu vollständig auf den Isentropenexponenten zurückzuführen sind.

In this work, the operation of a subsonic axial eight-stage air compressor with different gases is evaluated both analytically and numerically. For this purpose, the performance of propane, carbon dioxide, methane and argon is investigated. These gases are used in processes such as Carbon Capture Utilization and Storage, Power-to-Gas and Power-to-Liquid. The aim is to achieve a compressor operation for these gases as aerodynamically similar as possible to the reference gas air. Different gas properties require gas-specific corrections of the compressor: At the inlet similar Mach and Reynolds numbers are set for all gases to identify gas-specific effects and performancedifferences. Downstream of the inlet an additional compensation for compressibility differences is secured via iteratively adjusted cross-sectional areas of the compressor using a methodology developed in this work. That is how similar velocity triangles of the gas flows inside the compressor are achieved. All in all, the analytical and numerical investigations in the design point identify the isentropic exponent as the main influencing factor for the adjustment measures and observed performance deviations. In numerical studies without casing adjustment, themore the isentropic exponent deviates from the reference value the more a divergence of the flow coefficient in rear stages is evident. These divergences can be eliminated with the mentioned adjustment methodology of the casing radii at the design point. Despite adjustments, along with an increasing isentropic exponent, numerical results confirm an analytically predicted increase in pressure ratio and a reduction in efficiency. Further investigations such as gas-specific changes in boundary layers, contribute to a detailed breakdown of performance deviations. In addition, offdesign operating points for the geometrically adapted configurations show more similar characteristic curves to air compared to the non adapted configurations. The deeper understanding of gas effects generated by this work and the developed adaptation methodology are both important in adapting or redesigning subsonic compressors of any type for different gases. This work demonstrates geometric and operational modifications necessary when operating an axial air compressor with different gases. Despite of the compensating measures, inevitable performance deviations remain. These are nearly entirely attributable to the isentropic exponent.

OpenAccess:
PDF
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