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5 Instabilitäten in Axialverdichtern
Wird ein Axialverdichter bei konstanter Drehzahl angedrosselt, so tritt an einem bestimmten
Punkt eine drastische Änderung des Betriebsverhaltens ein. Ein plötzlicher Abfall von Druckaufbau
und Massendurchsatz gehen einher mit erhöhten Schwingungsamplituden. Oft kann der
Betriebspunkt nicht mehr als stationär betrachtet werden, sondern es stellt sich eine zyklische
Veränderung ein. Zusätzlich besteht die Gefahr von schweren Beschädigungen am Verdichter.
Der Punkt, an dem die genannten Vorgänge auftreten markiert somit das Ende des im normalen
Betrieb nutzbaren Verdichterarbeitsbereiches. Die Verbindung aller dieser Punkte im
Verdichterkennfeld wird auch als Pump- oder Stallgrenze bezeichnet. Um den Abstand eines
Betriebspunktes von der Pumpgrenze zu quantifizieren, wird in dieser Arbeit die von Cumpsty
verwendete Definition des Pumpgrenzabstandes PG verwendet, wobei der Betriebspunkt mit
dem maximalen Stufenwirkungsgrad als Referenzpunkt dient [21]:
PG = 1 −
M FNS Π Re f
M F Re f Π NS
(5.1)
Man spricht nahe der Pump- oder Stallgrenze vom Auftreten von Instabilitäten, weil bereits eine
kleine Störung den Übergang vom einem in den anderen Betriebszustand auslösen kann. Das
sich ausprägende Strömungsfeld kann allerdings ausgesprochen stabil sein: Unter Umständen
ist eine vergleichsweise große Drossel- oder Drehzahländerung notwendig, um den Verdichter
wieder in den normalen Betrieb zurückzubringen [22].
Grundsätzlich kann zwischen zwei verschiedenen Phänomenen unterschieden werden: Verdichterpumpen
und rotierender Strömungsabriss, welche auch als „Surge“ bzw. „Rotating Stall“
bezeichnet werden [23]. Beim Pumpen handelt es sich um einen eindimensionalen Vorgang,
bei dem das gesamte Verdichtungssystem einschließlich des Plenums hinter dem Verdichter
beteiligt ist. Für den Pumpvorgang charakteristisch ist die starke zyklische Schwankung des
Betriebspunktes. Rotating Stall ist im Gegensatz dazu ein lokales Phänomen, das, sobald vollständig
ausgeprägt, nur kleine zeitliche Schwankungen des globalen Betriebspunktes hervorruft.
Es bezeichnet den Zusammenbruch des in Umfangsrichtung geordnet periodischen Strömungsfeldes.
Eine oder mehrere Zellen mit gestörter Strömung treten auf und bewegen sich mit etwa
20 % bis 50 % der Drehzahl in Rotordrehrichtung. Anzahl und Größe dieser Zellen variiert stark.
Die Spanne reicht von drei Schaufelpassagen abdeckenden und auf nur eine Schaufelreihe beschränkten
Zellen, die etwa 20 % der Kanalhöhe einnehmen, bis hin zu einer einzelnen, den
halben Umfang abdeckenden Zelle, welche sich über die gesamte Kanalhöhe und Verdichterlänge
erstreckt [22].
An welchem Punkt Instabilitäten auftreten und ob Pumpen oder rotierendes Abreissen zu erwarten
ist, hängt von einer Reihe von Parametern ab. Reynoldszahl, Spalt- und Leckagemassenströme
sowie die Umfangsvariation im Eintrittstotaldruckprofil haben ebenso einen Einfluss
wie das Volumen des Plenums hinter dem Verdichter [21, 23–25]. In der Praxis sind beide Instabilitäten
zu vermeiden. In vielen Fällen kann rotierendes Abreissen kurz vor dem Auftreten
von Verdichterpumpen beobachtet werden [26]. Daher soll an dieser Stelle die Entstehung des
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