Zum Einfluss der Reynolds-Zahl und der Oberflächenrauigkeit bei thermischen Turbokompressoren
Fabian Dietmann
Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Beitrag zur Erforschung des Einflusses der Reynolds-Zahl und der Oberflächenrauigkeit bei thermischen Turbokompressoren geleistet werden. Diese Aspekte können bei der Vorauslegung von Maschinen relevant werden, bei denen eine geänderte Reynolds-Zahl gegenüber dem Standard-Entwurf vorliegt. Für Turbomaschinen stellen typische Fälle beispielsweise die Skalierung einer Maschine von einem bekannten Entwurf, der Betrieb mit einem anderen Gas oder die Änderung des Eintrittsdruckniveaus dar.
Die Arbeit beleuchtet hierzu in einem ersten Abschnitt die Abläufe in der Grenzschicht in Bezug auf die Wandreibung. Nachfolgend werden Hintergründe zu Oberflächenrauigkeiten diskutiert. Eine Darstellung des Einflusses der Reynolds-Zahl und der Oberflächenrauigkeit auf das Betriebsverhalten eines Turbokompressors rundet die Grundlagen ab.
Anschließend wird ein Überblick über den historischen Forschungsverlauf gegeben. Eine detaillierte Beschreibung des Ansatzes von Casey und Robinson zur Abbildung des Reynolds- und Oberflächenrauigkeits-Einflusses bei Turbomaschinen ist der Kern dieses Kapitels. Es werden Ansätze zur Verschiebung des Wirkungsgrades, der Position des Wirkungsgrad-Maximums sowie der Druckziffer aufgezeigt.
Die Methodik wird anschließend anhand von Messdatensätzen aus der Industrie und aus Literaturquellen weiterentwickelt. Dabei wird ein Korrelationsansatz in Abhängigkeit von der Schluckziffer der Maschine abgeleitet. Numerisch gewonnene Ergebnisse von fünf Verdichter-Simulationen werden zu einer detaillierteren Betrachtung des Korrelationsansatzes herangezogen. Abschließend wird aufgezeigt, dass einfache theoretische Ansätze die aus den Messdaten sowie aus den numerischen Datensätzen ermittelten Trends bestätigen.
