Haeckel, Tobias Maximilian (2024)
Die systemabhängige Pumpgrenze einer Radialverdichterstufe: Bestimmung und Einflussgrößen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027889
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Aufladung von Verbrennungskraftmaschinen mithilfe von Abgasturboladern ist eine effektive Methode zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches. Die durch die Aufladung mögliche Reduzierung des Motorhubvolumens ist unter dem Begriff Downsizing bekannt geworden und hat in den vergangenen Jahren einen entscheidenden Beitrag zur Erreichung der ambitionierten Emissionsziele geleistet. Das Zusammenspiel der charakteristischen Arbeitsweise einer Verbrennungskraftmaschine und einer Turbomaschine impliziert jedoch einige herausfordernde Anforderungen an die Entwicklung von Radialverdichtern für Abgasturbolader. Ein Beispiel hierfür ist eine ausreichende Kennfeldbreite, welche bei kleinen Massenströmen durch die sogenannte Pumpgrenze limitiert wird. Zur Erreichung der geforderten Ziele tragen numerische Strömungssimulationen einen stetig steigenden Anteil bei. Mit der im industriellen Umfeld heute umsetzbaren Vorgehensweise der Simulationen ist jedoch die Bestimmung einer systemabhängigen Pumpgrenze bisher nicht möglich.

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methodik zur Bestimmung einer systemabhängigen Pumpgrenze mithilfe stationärer Strömungssimulationen, wie sie im industriellen Kontext eingesetzt werden, vorgestellt. Die Möglichkeiten dieser Methodik werden durch eine Variation des Verdichtersystems und deren Einfluss auf die Pumpgrenze aufgezeigt. Mithilfe äquivalenter experimenteller Untersuchungen wird die Validität und Genauigkeit der modellbasierten Ergebnisse sichergestellt. Es wird deutlich, dass das verdichtersaugseitige System eine eminente Rolle bei der Bestimmung der Pumpgrenze spielen kann und somit zwingend bei der Bestimmung dieser berücksichtigt werden muss.

Neben dem Einfluss des Systems auf die Stabilität der Verdichterstufe konnte die analytische Modellierung des dynamischen Systemverhaltens genutzt werden, um den Einfluss einzelner Komponenten auf die Systemstabilität zu analysieren. Hierbei wird deutlich, dass der Kennlinienverlauf der Verdichterstufe eine wesentliche Rolle einnimmt. Vor allem das verlustbedingte Überrollen der Kennlinie, was typisch für Turboverdichter ist, beeinflusst die Stabilität entscheidend. Aus diesem Grund ist eine detaillierte Analyse der Strömung sowie der Entwicklung charakteristischer Strömungsphänomene ein zweiter wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit. Hierdurch konnte der Einfluss der Rückströmung und der hiermit verbundenen Blockage des Strömungsquerschnitts auf den Totaldruckaufbau der Verdichterstufe sowie geometrische Parameter zur Optimierung aufgezeigt werden. Die Rückströmung stellt, wie oftmals angenommen, nicht nur einen parasitären Verlust dar, sondern kann in bestimmten Kennfeldbereichen die Strömung auch positiv beeinflussen.

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