Entwicklung eines verkürzten Diffusors mit LSD-Schaufeln für Mehrwellenver­dichter

Beschreibung:

Mehrwellenverdichter, wie in der nebenstehenden Abbildung zu sehen, werden bei MAN Diesel & Turbo SE bereits seit mehr als 30 Jahren zur Kompression von verschiedenen Gasen eingesetzt. Insbesondere haben sie sich dabei bei MAN Diesel & Turbo SE für die Kompression von CO2 bis zu Drücken von 200 Bar bewährt. Die Besonderheit bei den auch Getriebekompressoren genannten Maschinen ist dabei, dass mehrere Wellen um ein Großrad angeordnet sind und von diesem angetrieben werden. Da jeweils an den Enden der Wellen ein radiales Laufrad sitzt, kann spätestens nach zwei Stufen die Drehzahl erhöht werden. Dadurch können die Laufräder jeweils mit optimierten Volumenstromkoeffizienten und damit in einem optimierten Wirkungsgradbereich betrieben werden. Außerdem bietet die Bauweise die Möglichkeit hinter jede Stufe eine Zwischenkühlung einzubauen, so dass eine Annäherung an die isotherme Verdichtung möglich ist.

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Durch die Anordnung der Wellen um das Großrad kann es zu Kollisionen der einzelnen Spiralen untereinander oder mit der Kupplung kommen. Um das konstruktiv zu unterbinden, muss der Großraddurchmesser entsprechend vergrößert werden. Jedoch steigt der Preis mit jedem Millimeter Durchmesser des Großrads erheblich an. Eine Möglichkeit die Baugröße zu reduzieren ist, es die Diffusor zu verkleinern. In den Diffusoren soll die Geschwindigkeit aus dem Fluid genommen werden und die Strömung umgelenkt werden. Bisher sind die Diffusoren meist unbeschaufelt ausgeführt. Beschaufelte Diffusoren können dagegen mit geringeren Durchmesserverhältnissen ausgeführt werden, da über die Schaufeln der Strömungspfad und somit die Umlenkung vorgegeben wird. Durch den kleineren Diffusor können auch kleinere Spiralen verwendet werden und dadurch das Großrad verkleinert werden, was eine erhebliche Reduzierung der Kosten bedingen würde. Allerdings sind Schaufeln auch ein Verlustfaktor und je nach Schaufelgeometrie, reagieren sie sensibel auf den Strömungswinkel.

Innerhalb des Projekts sollen mithilfe probabilistischer Simulationen eine geeignete Konstruktion erstellt werden, die eine reduzierte Baugröße besitzen, einen gleichwertigen oder besseren Wirkungsgrad besitzen (im Vergleich zum unbeschaufelten Diffusor) und zudem einen breiten Betriebsbereich zulassen. Dazu wird ein automatisierter Algorithmus aufgestellt, der innerhalb der Simulation die Eingangsgrößen verändert, das CAD-Modell aktualisiert und daraus ein CFD-Modell erstellt, mit dem die Rechnung durchgeführt wird.

Die Konstruktion ist ebenfalls auf seine Festigkeit zu untersuchen und wird zum Abschluss des Projekts von MAN Diesel & Turbo gefertigt und im Prüfstand getestet.