Forschungslabor Prozessgas-Radialverdichter

Prozessgas-Radialverdichter werden weltweit in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Erzeugung von Grundstoffen, der Öl- und Gasindustrie, der Petrochemie, der Luftzerlegung und der Kältetechnik. Prozessgas-Radialverdichter stellen unabdingbare, integrale Bestandteile der entsprechenden Prozessanlagen dar und stellen die jeweiligen Gase auf dem für die benötigten Prozessschritte erforderlichen Druckniveau zur Verfügung. Ein beispielhaftes in Prozessgas-Radialverdichter eingesetztes Laufrad mit Deckband zeigt Abbildung 1. Dabei müssen diese Verdichter ein breites Spektrum an Gasen (von Wasserstoff bis zu CO2 und schweren Kohlenwasserstoffen) bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen (breites Durchsatz-, Druck- und Temperatur-Spektrum) mit höchstmöglicher Effizienz komprimieren. Dabei ist die technologische Entwicklung von Verdichtern so weit fortgeschritten, dass signifikante Fortschritte des Stands der Technik und innovative Konzepte nur noch durch deutlich gesteigerten Aufwand im Bereich der industriellen Forschung erreicht werden können.

Abbildung 2 zeigt eine solchen, mehrstufigen Radialverdichter. Um mehrere Verdichterstufen auf einer Welle anordnen zu können, muss die Strömung, nachdem sie durch das Laufrad und den schaufellosen Diffusor nach außen geströmt ist, wieder nach innen zum Eintritt des nächsten Laufrads geführt werden. Die hierfür benötigte Rückführung setzt sich dabei aus den folgenden Komponenten zusammen:

• 180°-Umlenkung, um die Strömung von der zentrifugalen in die zentripetale Richtung umzulenken
• Beschaufelter Rückführkanal zwecks Drall-Reduktion
• 90°-Umlenkung, um die Strömung zum nächsten Laufrad auszurichten

Aus rotordynamischen Gründen muss das Rückführsystem axial sehr kurz ausgeführt werden. Um die Fertigungskosten zu reduzieren, muss die radiale Erstreckung der Kanäle sehr kompakt gestaltet werden. Daraus ergeben sich sehr kleine Umlenkradien. Die starken Umlenkungen der Strömung in der Rückführung verursachen starke Sekundärströmungen und hohe Verluste, welche den Wirkungsgrad der Stufe und damit den der gesamten Maschine deutlich reduzieren. Neben einem hohen Wirkungsgrad ist die Abströmung aus der 90° Umlenkung ein wichtiges Gütekriterium für die Rückführung. Diese Abströmung stellt gleichzeitig das Anströmprofil für die nachfolgende Stufe dar und beeinflusst maßgeblich das Betriebsverhalten dieser Stufe. Eine exakte Vorhersage des Abströmprofils ist demnach eine essentielle Information für die Auslegung mehrstufiger Maschinen.

Laufräder und Diffusoren von Radialverdichtern wurden in der Vergangenheit ausführlich untersucht und optimiert. Die komplexen Strömungsphänomene in der Rückführung wurden jedoch nur in sehr begrenzten Umfang analysiert. Dies spiegelt sich auch in dem Verständnis über die großen Wirkungsgradeinbußen wieder, welche die Rückführung verursacht. Das Verhalten der Strömung innerhalb von Rückführungen ist wegen der hohen physikalischen Komplexität (z. B. bedingt durch die Stromlinienkrümmung) selbst bis heute nicht vollständig verstanden worden, weshalb sie auch noch heutzutage Gegenstand aktueller Forschungsaktivitäten sind.

Im Rahmen eines Forschungsprojektes innerhalb des europäischen Ziel 2-Programms in der Rubrik Hightech.NRW ist ein komplett neuartiger Prüfstand für horizontal geteilte, einwellige Prozessgas-Radialverdichter zur Untersuchung radialer Rückführstufen am Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen (IST) aufgebaut worden, s. Abbildung 3. Mit dem Prüfstand können weitreichende experimentelle Untersuchungen der Strömungsverhältnisse innerhalb der strömungsführenden Bauteile durchgeführt werden. Ziel laufender Forschungsvorhabens ist es die Strömung in der Rückführung zu analysieren und entsprechendes Potential für Wirkungsgradsteigerungen zu identifizieren. Hierdurch ist es möglich, eine Kostenreduktion in der Fertigung von mehrstufigen Radialverdichtern in Einwellenbauweise zu erreichen.