Generische Untersuchungen zum Phänomen der Teillastrezirkulation in Turboarbeitsmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter F. Pelz
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257095842

Fluidfördersysteme verbrauchen über 35 % der in der Industrieanfallenden, elektrischen Energie und haben somit eine hoheökonomische Relevanz. Folglich stehen Fluidfördersysteme im Fokuseffizienzsteigernden Maßnahmen, um einerseits die Betriebskostenund andererseits durch die Energieproduktion entstehenden CO2-Emissionen zu reduzieren. Ein Teil von Fluidfördersystemen sindTurbomaschinen, die häufig nicht im Design-Point arbeiten, bei demder Wirkungsgrad maximal ist. Abweichend vom Design-Point imTeillastbetrieb treten unterschiedliche, sekundäreStrömungsphänomene wie z. B. Kavitation, Rotating-Stall undTeillastrezirkulation auf, die sowohl den Wirkungsgrad als auch dieBetriebssicherheit reduzieren. In dem laufendem Projektwird an einem generischen Modell einer Turbomaschine dieTeillastrezirkulation experimentell und analytisch erforscht. Dasgenerische Modell ist ein durchströmter Übergang von einemstehenden zu einem rotierenden Kreiszylinder. Mit diesem Modellwerden die Drallentwicklung und die Interaktion des Dralls mit demaxialen Impuls bzw. der axialen Grenzschicht an einer einfachenStrömungssituation erforscht. Der durch Schubspannungeingebrachte Drall ist verantwortlich für die Strömungsablösung bzw.die Teillastrezirkulation. Für die systematische Annäherung an eineTurbomaschine und die Erweiterung des Parameterfeldes wird imvorliegenden Forschungsvorhaben der Einfluss einer beschleunigtenbzw. verzögerten Strömung auf die Drallentwicklung und auf dieAusbreitung der Strömungsablösung untersucht. Für dieBeschleunigung bzw. Verzögerung der Strömung wird derKreiszylinder durch einen Kreiskegel ersetzt und somit der bisherkonstante Strömungsquerschnitt variiert. Dies entspricht einersystematischen Annäherung an eine Arbeits- und Kraftmaschine, dain diesen die verzögerte bzw. beschleunigte Strömung kinematischmit einem Drall beaufschlagt wird. Eine Arbeitsmaschine wirdschematisch als Diffusor dargestellt, d. h. einen sich öffnendenKreiskegel (positiver Öffnungswinkel). Damit wird die Funktion derArbeitsmaschine, den Druck zu erhöhen, schematisch abgebildet.Komplementär dazu ist der schließende Kreiskegel (negativerÖffnungswinkel) und entspricht schematisch einer Kraftmaschine. DieFunktion der Druckminderung wird durch dieStrömungsbeschleunigung erfüllt und somit Strömungsablösung eherverhindert. Konsistent zu dem bisherigen Vorgehen werden dieUntersuchungen analytisch und experimentell durchgeführt, um dasphysikalische Verständnis über die Teillastrezirkulation zu vertiefen.Die im Rahmen des Forschungsvorhabens gewonnenen Erkenntnissesind beim Auslegen von Turbomaschinen, im speziellen vonTurbomaschinen mit Deckscheibe und dem Kühlluftsystem vonGasturbinen, von großem Nutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen