Entwicklung und Untersuchung eines breitenveränderlichen, teilbeschaufelten Diffusors für ein radiales Kleingebläse (PDF)

In dieser Arbeit wurde ein anpassungsfähiger Diffusor für Kleingebläse entwickelt, der
ein weites Kennfeld bei hohen Verzögerungsverhältnissen und damit erhöhtem Gesamtdruckverhältnis erreicht. Ausgehend vom unbeschaufelten breitenveräderlichen Diffusor wurde der breitenveränderliche teilbeschaufelte Diffusor entwickelt.
Neben den allgemeinen energetischen Messverfahren wurden bei der Entwicklung umfangreiche Untersuchungen des Diffusors mit der Particle Image Velocimetry (PIV)
durchgeführt, mit der ganze Strömunsgfelder zeitgleich aufgenommen und anschliessend
ausgewertet werden können. So resultiert der ungewöhnliche Schaufelwinkel des Diffusors von 48°, ebenso wie das Verhältnis von beschaufeltem zu unbeschaufeltem Diffusordurchmesser aus den PIV-Untersuchungen des unbeschaufelten Diffusors .
Der Einbau einer Beschaufelung im äusseren Teil des Diffusors unterbindet die frühen
Rückströmungen wirkungsvoll und führt durch eine bessere Strömungsführung zu einer
Beruhigung der Strömung und somit zu einem höheren Druckaufbau bei gleichzeitig
erhöhtem Volumenstrom. Zusätzlich bringt der Einbau der Beschaufelung eine deutliche
Steigerung des maximalen Anlagenwirkungsgrades um 8 Prozentpunkte auf 48 %. Dies
liegt deutlich über dem Niveau des Gebläses, dessen Motor und Laufrad verwendet wurde. (Das Ursprungsgebläse erreicht mit einem bereits leicht modifizierten Diffusor auf dem selben Versuchsstand einen Anlagenwirkungsgrad von 29,5 %.)
Der breitenverstellbare, teilbeschaufelte Diffusor kann somit zu einer wesentlichen Kennfelderweiterung beitragen. Wie die Auswertungen zeigen, kann die Pumpgrenze zu extrem niedrigen Volumenströmen verschoben werden. Dies ist besonders für Kleingebläse und Verdichter von Bedeutung, da sie nur über ein stark eingeschränktes Kennfeld verfügen. Durch die Anpassung an die Strömung können auch Diffusoren mit höherem Verzögerungsverhältnis eingesetzt werden, was zu einem höheren Druckaufbau führt. Die PIV konnte die Strömung im Diffusor gut darstellen. Die Fähigkeit der PIV instationäre Vorgänge sichtbar zu machen ist ein Vorteil dieses Systems gegenüber allen anderen intrusionslosen Messverfahren. So können Strömungsablösungen und Rückströmungen im betrachteten Abschnitt fest gestellt werden, ohne mit Sondentechnik gezielt danach suchen zu müssen. Zudem konnte
das Strömungsverhalten im Diffusor, besonders die effizienzmindernden
Profilverzerrungen, gemessen und dargestellt werden. Mit dem Einbau der Beschaufelung ist allerdings auch eine fast totale Abschattung des optisch hinter den Leitschaufeln liegenden, unbeschaufelten Diffusorteils verbunden, was eine Beobachtung der Laufradabströmung mit der PIV bei dem verwendeten Versuchsaufbau
nicht ermöglicht. Zudem konnte durch die Beobachtung des Partikelverhaltens die Pumpgrenze bestimmt werden. Die PIV-Auswertungen stützten darüber hinaus die These, dass sich die Zellen des Rotating Stall zunächst von Aussen stromaufwärts in den Diffusor hineinziehen. Somit sind für das Pumpverhalten die äusseren Diffusorbereiche entscheidend. Ein Nachteil der PIV ist ihre geringe zeitliche Auflösung. Dieses Problem wird durch die Weiterentwicklung digitaler Hochgeschwindigkeitskameras in den kommenden Jahren gelöst werden. Durch die zur Breitenverstellung notwendig gewordene Unterteilung in unbeschaufelten und beschaufelten Teildiffusor stellt sich zudem die Frage, bei welchem Radienverhältnis
der Übergang vom unbeschaufelten auf den beschaufelten Diffusorteil stattfinden soll.
Davon abhängig ist ebenfalls der Schaufelwinkel, sowie die Notwendigkeit den Diffusor
an den Strömungswinkel anpassen zu können. Diese Parameter sind bei diesem Diffusor mit Hilfe der PIV so bestimmt worden, dass nur eine geringstmögliche Anpassung des Schaufelwinkels durch die Breitenverstellung notwendig sein sollte.
Eine Aufweitung des Diffusors sollte auf hohe Volumenströme beschränkt bleiben.
Es ist zu klären, ob dies für Diffusoren mit abweichenden Radienverhältnissen für die
Teildiffusoren sowie für den Gesamtdiffusor ebenso gilt.