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

In zukünftigen Antriebsstrangtechnologien steigen die Herausforderungen an Ladeluftsysteme, insbesondere an die Eigenschaften des Radialverdichters, an. Die Anforderungen liegen hierbei in der Optimierung des stabilitätskritischen Kennfeldbereiches hinsichtlich der Erhöhung des Totaldruckaufbaus und der Erweiterung der Stabilitätsgrenze. Darüber hinaus rückt 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 Überrollverhalten im stabilitätskritischen Kennfeldbereich. Durch numerische und analytische Betrachtung der Verdichteraerodynamik wird die Ausbildung einer ausgeprägten Blockagezone als Ursache des reduzierten Totaldruckaufbaus identifiziert. Mittels des Einsatzes von Gehäusestrukturen kann die Aerodynamik an der Rotoreintrittsebene beeinflusst werden, verbunden mit einer Erhöhung des Totaldruckverhältnisses im stabilitätskritischen Kennfeldbereich. Durch weitere experimentelle und numerische Studien kann die Übertragbarkeit der aerodynamischen Effekte nachgewiesen werden. Anhand den Untersuchungen zum Einfluss von Gehäusestrukturen wird deutlich, dass das Stabilitätsverhalten der betrachteten Radialverdichter durch aerodynamische Ansätze nicht erklärt werden kann. Zum Verständnis des systemischen Einflusses auf die Stabilitätsgrenze wird zusätzlich ein analytisches Stabilitätskriterium auf Basis des bekannten Modells von Greitzer entwickelt. Die Validität und Übertragbarkeit des Stabilitätskriteriums wird anhand mehrerer Studien nachgewiesen. Die Besonderheit des analytischen Stabilitätskriteriums liegt in der Berücksichtigung aller Systemkomponenten und der hohen Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen ohne die Implementierung empirischer Korrekturfaktoren. Zur Vervollständigung der Anforderungen an zukünftige Radialverdichter wird der signifikante Einfluss pulsierender Randbedingungen auf die Verdichtercharakteristik dargestellt. Hierbei treten sprunghafte Verluste im Totaldruckverhältnis im, unter stationären Randbedingungen, stabilen Kennfeldbereich auf. Mittels den Ergebnissen kann die Korrektheit des systemischen Ansatzes zur Beschreibung des Stabilitätsverhaltens auch unter pulsierenden Randbedingungen nachgewiesen werden. Auf Basis der experimentellen Daten werden Hinweise geliefert, dass der Totaldruckverlust unter pulsierenden Randbedingungen auf instationäre, aerodynamische Verlustmechanismen zurückgeführt werden kann. Anhand der vorliegenden Ergebnisse kann abschließend ein Gesamtsystemverständnis entwickelt werden, welches die Wirkzusammenhänge der wesentlichen Einflussfaktoren auf das Kennfeld von Radialverdichtern für Automobilanwendungen darstellt. Als aerodynamische Einflussfaktoren können die Verdichterkomponenten und die Verdichterrandbedingungen erfasst werden, die massgeblich die Verdichtercharakteristik definieren. Auf systemischer Ebene beeinflussen die Komponenten des Ladeluftsystems die Stabilitätseigenschaften und die Durchsatzgrenze des Verdichters. Das Verdichterkennfeld wird demnach durch aerodynamische Effekte und systemische Größen definiert