Über den Einfluss aerodynamischer Effekte und systemischer Größen auf das Kennfeld von Radialverdichtern

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.