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.

The challenges of turbocharging are growing in future powertrain technologies, in particular for the characteristics of the centrifugal compressor. The focus lies hereby on the optimization of the near-surge compressor map area with the intent to raise the total pressure ratio as well as to increase the map width. Furthermore, current compressor research examines the influence of fluctuating compressor exit boundary conditions on the compressor performance due to the trend of downsizing the powertrain. A typical characteristic of centrifugal compressors for automotive application is the roll-over of the speedlines in the near-surge compressor map region. Via numerical and analytical investigations of the compressor aerodynamics the reason for the reduced total pressure ratio is determined to be the formation of a blockage zone. The inflow at the impeller inlet can be affected by the application of casing treatments with positive effects on total pressure ratio in the near-surge compressor map area. The transferability of the positive aerodynamic effects is proven by further experimental and numerical investigations. In contrast, the stability behavior of centrifugal compressors cannot be explained by aerodynamic approaches. In order to understand the influence of the charged-air system on the stability limit of the compressor, an analytic stability criteria is derived based on the established Greitzer model. The validity and transferability of the stability criteria is proven by several studies. The special aspect of this advanced analytical model is the consideration of all pneumatic components of the charged-air system. Moreover, the high consistency with experimental results is assured without the implementation of empirical correction factors. To complete the requirements for future centrifugal compressors, the significant influence of pulsating boundary conditions on the compressor characteristics is shown. The total pressure ratio decreases sharply in a compressor map region that is stable for steady exit boundary conditions. By means of the results under pulsating boundary conditions, the systemic approach can be substantiated. Analysis of the experimental data indicates, that the total pressure loss can be traced back to unsteady aerodynamic loss mechanisms. On the basis of the presented results, an understanding of the overall system can be developed, which describes the interactions of the main influencing factors on the characteristics of automotive centrifugal compressors. The individual compressor components as well as the compressor boundary conditions are identified as relevant aerodynamic influencing factors. These factors mainly impact the compressor characteristics. On the systemic level, the components of the charged-air system affect the stability limit and the throughput limit of the compressor. In conclusion, the compressor map is influenced by aerodynamical effects and systemic values.