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Identifikation der wesentlichen Diffusor-Design-Parameter und deren Einfluss auf das Betriebsverhalten eines Radialverdichters

Jerome Schmidiger

Titel

Identifikation der wesentlichen Diffusor-Design-Parameter und deren Einfluss auf das Betriebsverhalten eines Radialverdichters

Autor/in

Datierung

10.06.2022

Beschreibung

Diffusoren erweisen sich als wichtige Komponenten in der Strömungsmechanik. Auch in
Turbomaschinen - wie Radialverdichtern oder Gasturbinen - spielen diese eine wichtige Rolle, da sie
einerseits den Gesamtwirkungsgrad verbessern und andererseits das Druckverhältnis erhöhen.
Jedoch ist die Auslegung von Diffusoren in Turbomaschinen stets mit Schwierigkeiten verbunden. Die
vorliegende Arbeit zeigt den Einfluss der wesentlichen Diffusor-Design-Parameter auf das
Betriebsverhalten auf. Weiter wird eine numerisch optimierte Diffusorgeometrie (erzeugt durch eine
gradienten-basierte Adjoint Methode) grob vereinfacht und nummerisch untersucht. Dabei wurde der
Reynolds-Average-Navier-Stoke Ansatz, sowie ein Ω-RSM Turbulenzmodell verwendet und wurde mit
einem von der Hochschule Luzern entwickelten druckbasierten Solver durchgeführt.
Es wurde gezeigt, dass die Wahl der wesentlichen Diffusor-Design-Parameter einen Kompromiss
zwischen Betriebsbereichsgewinn und Druckerhöhung/Wirkungsgradgewinn darstellt. Nebst den
mathematischen Abhängigkeiten der Parameter des Diffusorkanals (Öffnungswinkel, Diffusorlänge
und Flächenverhältnis) haben sich weitere Zusammenhänge gezeigt. So ist beispielsweise der
Diffusoreintrittsradius, die Eintrittsweite, der Anstellwinkel und die Schaufelzahl voneinander
abhängig und müssen stets aufeinander abgestimmt sein. Zudem wurde gezeigt, dass sich die
Theorie ebener Kanaldiffusoren nicht direkt an Turbomaschinen anwenden lässt und somit
ausschliesslich zur groben Auslegung verwendet werden darf.
Weiter wurde gezeigt, dass die Vereinfachung eines nummerisch optimierten Keildiffusors einerseits
höhere Druckverhältnisse und Wirkungsgrade erreicht anderseits aber zu früher eintretenden
instabilen Verhalten führt (pumpengrenznaher Bereich). Trotz der sehenswerten
Wirkungsgradsteigerung und Druckerhöhung der vereinfachten Geometrie (V2) - im mittleren und
stopfgrenznahen Kennbereich (knapp 1.5 % höher, verglichen mit der Originalgeometrie) - und der
starken Korrelation mit dem Betriebsverhalten der nummerisch optimierten Geometrie, scheint eine
dreidimensionale Modifikation der Keilgeometrie als unverzichtbar.

Diffusers are important technical components in fluid mechanical applications. They also play an
important role in turbomachinery, such as centrifugal compressors or gas turbines. On one hand they
improve the overall efficiency and on the other hand they increase the pressure ratio. However, the
design of diffusers in turbomachinery is still challenging. The present work shows the influence of
each diffuser design parameter on the operating behaviour. Furthermore, a numerically optimised
diffuser geometry (generated by using the adjoint method) is simplified by the extraction of key
features and numerically investigated. The Reynolds-Average-Navier-Stoke approach, as well as an
Ω -RSM turbulence model, were used and was executed on an in-house coupled pressure based
solver.
It was shown that the choice of the essential diffuser design parameters represents a trade-off
between operating range and pressure/efficiency increase at design conditions. In addition to the
mathematical dependencies of the diffuser channel parameters (opening angle, diffuser length and
area ratio), other interrelationships have been shown. Especially, the diffuser inlet radius, the inlet
width, the angle of attack as well as the number of diffuser blades are mathematically dependent on
each other and should always be balanced. In addition, it was shown that the theory of straight
channel diffusers cannot be applied directly to turbomachinery and may only be used for a first
estimation.
Furthermore, it was shown that the applied simplifications of the numerically optimised wedge
diffuser achieve on the one hand higher pressure ratios and efficiencies but on the other hand lead to
an unstable behaviour near the surge condition. The conclusion is therefore, that a 3-dimensional
modification of the guide vanes is necessary, despite the remarkable increase in efficiency and
pressure through the simplification (V2) (almost 1.5 % higher for desing and near choke conditions
compared to the used testcase) and the strong correlation with the behaviour of the numerically
optimised geometry.

Urheberrechtshinweis