Die Druck-Volumenstrom-Kennlinie eines Verdichters steigt von rechts nach links und erreicht einen Scheitel. Links davon liegt kein Betriebsbereich, sondern ein Instabilitätsbereich.
Zwei verschiedene Phänomene
Rotierende Ablösung. Ein Teil der Schaufelkanäle löst ab, und dieses abgelöste Gebiet wandert mit einer von der Rotordrehzahl verschiedenen Geschwindigkeit um den Rotor. Der mittlere Volumenstrom kann konstant bleiben, aber die Schaufeln werden der Reihe nach be- und entlastet — für die Ermüdung gefährlich und für den Wirkungsgrad teuer.
Pumpen (Surge). Eine Instabilität des gesamten Systems: Die Strömung kehrt schlagartig um, das nachgeschaltete Volumen entleert sich, der Druck fällt, und die Strömung läuft wieder vorwärts. Es ist ein niederfrequenter Zyklus großer Amplitude. Er ist hörbar, die Axiallagerkräfte schnellen hoch, und Schäden folgen rasch.
Die Unterscheidung zählt: Die rotierende Ablösung ist örtlich auf den Verdichter beschränkt, während das Pumpen das gesamte System betrifft und vom nachgeschalteten Volumen abhängt. Derselbe Verdichter zeigt mit anderen Rohrleitungsvolumina ein anderes Pumpverhalten.
Folgen für die Modellierung
Das Pumpen lässt sich nicht mit einem Verdichtermodell allein untersuchen. Volumen und Widerstand der Anlage gehören ins Modell; die Analyse eines isolierten Schaufelkanals kann die Pumpgrenze nicht liefern.
Am linken Ende der Kennlinie konvergiert eine stationäre Rechnung nicht, und das ist meist ein Signal der Physik. Siehe die Notiz zur Konvergenz.
Ein periodisches Einkanalmodell reicht nicht aus. Die rotierende Ablösung bricht die Umfangssymmetrie definitionsgemäß; ein Einkanalmodell verbietet sie. Siehe die Notiz zur Symmetrie und die Notiz zu Strömungsmaschinen.
Kompressibilität ist erforderlich. Ist das Druckverhältnis von Bedeutung, darf die Dichteänderung nicht vernachlässigt werden. Siehe die Notiz zur kompressiblen Strömung.
Das praktische Ergebnis
Von der Analyse will man meist nicht den Pumpzyklus exakt nachbilden, sondern den Pumpgrenzabstand angeben: wie weit der Betriebspunkt von der Instabilitätsgrenze entfernt liegt. Zu sehen, wo im Teillastbetrieb die Ablösung beginnt, zeigt zudem, wie sich dieser Abstand geometrisch vergrößern lässt.
Referenzen
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
- Launder, B. E., Reece, G. J. & Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537–566.