Über den Einfluss aerodynamischer Effekte und systemischer Größen auf das Kennfeld von Radialverdichtern
2020
In zukunftigen Antriebsstrangtechnologien steigen die Herausforderungen an Ladeluftsysteme,
insbesondere an die Eigenschaften des Radialverdichters, an. Die
Anforderungen liegen hierbei in der Optimierung des stabilitatskritischen Kennfeldbereiches
hinsichtlich der Erhohung des Totaldruckaufbaus und der Erweiterung der
Stabilitatsgrenze. Daruber hinaus ruckt der Einfluss pulsierender Verdichteraustrittsrandbedingungen
auf das Verdichterverhalten aufgrund von Downsizing-Konzepten
zunehmend in den Fokus aktueller Verdichterforschung.
Typisches Merkmal von Radialverdichtern, welche in Automobilanwendungen
zum Einsatz kommen, ist das Uberrollverhalten im stabilitatskritischen Kennfeldbereich.
Durch numerische und analytische Betrachtung der Verdichteraerodynamik
wird die Ausbildung einer ausgepragten Blockagezone als Ursache des reduzierten
Totaldruckaufbaus identifiziert. Mittels des Einsatzes von Gehausestrukturen kann
die Aerodynamik an der Rotoreintrittsebene beeinflusst werden, verbunden mit
einer Erhohung des Totaldruckverhaltnisses im stabilitatskritischen Kennfeldbereich.
Durch weitere experimentelle und numerische Studien kann die Ubertragbarkeit
der aerodynamischen Effekte nachgewiesen werden.
Anhand den Untersuchungen zum Einfluss von Gehausestrukturen wird deutlich,
dass das Stabilitatsverhalten der betrachteten Radialverdichter durch aerodynamische
Ansatze nicht erklart werden kann. Zum Verstandnis des systemischen Einflusses
auf die Stabilitatsgrenze wird zusatzlich ein analytisches Stabilitatskriterium auf
Basis des bekannten Modells von Greitzer entwickelt. Die Validitat und Ubertragbarkeit
des Stabilitatskriteriums wird anhand mehrerer Studien nachgewiesen. Die
Besonderheit des analytischen Stabilitatskriteriums liegt in der Berucksichtigung
aller Systemkomponenten und der hohen Ubereinstimmung mit experimentellen
Ergebnissen ohne die Implementierung empirischer Korrekturfaktoren.
Zur Vervollstandigung der Anforderungen an zukunftige Radialverdichter wird der
signifikante Einfluss pulsierender Randbedingungen auf die Verdichtercharakteristik
dargestellt. Hierbei treten sprunghafte Verluste im Totaldruckverhaltnis im, unter stationaren
Randbedingungen, stabilen Kennfeldbereich auf. Mittels den Ergebnissen
kann die Korrektheit des systemischen Ansatzes zur Beschreibung des Stabilitatsverhaltens
auch unter pulsierenden Randbedingungen nachgewiesen werden. Auf
Basis der experimentellen Daten werden Hinweise geliefert, dass der Totaldruckverlust
unter pulsierenden Randbedingungen auf instationare, aerodynamische
Verlustmechanismen zuruckgefuhrt werden kann.
Anhand der vorliegenden Ergebnisse kann abschliesend ein Gesamtsystemverstandnis
entwickelt werden, welches die Wirkzusammenhange der wesentlichen Einflussfaktoren
auf das Kennfeld von Radialverdichtern fur Automobilanwendungen
darstellt. Als aerodynamische Einflussfaktoren konnen die Verdichterkomponenten
und die Verdichterrandbedingungen erfasst werden, die massgeblich die Verdichtercharakteristik
definieren. Auf systemischer Ebene beeinflussen die Komponenten
des Ladeluftsystems die Stabilitatseigenschaften und die Durchsatzgrenze des Verdichters.
Das Verdichterkennfeld wird demnach durch aerodynamische Effekte und
systemische Grosen definiert.
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