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2 Diffusorsysteme für Radialverdichter in Triebwerken
Stationäre Einflüsse und Korrelationen aus der Literatur
Im Folgenden werden die stationären Phänomene in der Diffusoraerodynamik beschrieben.
Oftmals wurden diese durch experimentelle Korrelationen für die Diffusorauslegung
beschreibbar gemacht.
Grundsätzlich können Strömungen im Diffusorkanal in vier Strömungsphasen je nach
aerodynamischer Belastung eingeteilt werden. Das Strömungsfeld verändert sich z.B. bei
Erhöhung des Diffusoröffnungswinkels von homogener zu fluktuierender Strömung. Es
folgt die einseitige Ablösung bis hin zur zweiseitigen Ablösung. Die besten Diffusorleistungswerte
werden bei der fluktuierenden Ablösungskonfiguration beobachtet. Dies liegt
daran, dass im Diffusor die zwei Verlustmechanismen Wandreibung und Strömungsablösung
gegenläufig sind. Es ergibt sich ein summarisches Minimum bei einem Öffnungswinkel
mit gerade beginnender Ablösung, bei dem der Diffusorkanal entsprechend kurz
ist.
Dadurch ergeben sich in Diffusorkennfeldern die charakteristischen Muschelkurven. In
diesen Kennfeldern wird der statische Druckbeiwert c p (Gl. (2.2)) in Abhängigkeit der
Diffusorgeometrie mit dem Öffnungsverhältnis AR und dem Längenverhältnis LW R
aufgetragen. Es ergibt sich im Allgemeinen ein c p -Maximum bei einer bestimmten Geometrie.
In der Literatur wurde dazu eine große Datenbasis z.B. von Runstadler und
Dolan (1975) generiert. Neben den Geometrieparametern wurden die aerodynamischen
Anströmbedingungen wie Machzahl, Reynoldszahl und Blockage variiert.
Der Blockagefaktor B aus Gl. (2.4) spielt bei der Auslegung von beschaufelten Diffusoren
für Radialverdichter eine große Rolle. Es ergibt sich ein mehrdimensionales Problem,
das großenteils mit Korrelationen in Abhängigkeit von B gelöst wird. Dabei muss
kleinste Blockage und damit homogenste Anströmung nicht besten Wirkungsgrad der
Radialverdichterstufe bedeuten.
Es ergeben sich zwei gegenläufige aerodynamische Effekte im Bereich vor dem Diffusor
und im Diffusorkanal. Die zu maximierende Zielgröße des Druckaufbaus c p des Diffusors
setzt sich aus einem Anteil vor dem Halsquerschnitt und einem Anteil nach dem
Halsquerschnitt im Diffusorkanal zusammen. Einerseits ist c p im schaufellosen Raum
vor dem Diffusor umso höher, je höher die Blockage B ist. In diesem Fall sinkt jedoch
der c p -Wert für den Diffusorkanal wegen der schlechteren Anströmung. Umgekehrt
würde eine Auslegung mit kleinerer Blockage zwar eine bessere Diffusorströmung mit
höherem statischen Druckrückgewinn c p bedeuten. Jedoch sinkt dann der Druckaufbau
im schaufellosen Raum vor dem Diffusor, was dann auch in Summe zu einem niedrigen
Druckaufbau des Gesamtdiffusors führt. Es bleibt folglich festzuhalten, dass sich in
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