Warum ist ein Zentrifugalkompressor in Flugzeugtriebwerken weniger anfällig für Strömungsabriss und Pumpen?

Der Grund liegt im Funktionsprinzip der Kompressoren – ein Zentrifugalkompressor dreht sich, wie der Name schon sagt, sehr schnell und die Zentrifugalkraft komprimiert die Luft. Wie Sie im Bild unten sehen können, helfen die Schaufeln des Laufrads eines Zentrifugalkompressors nur dabei, die Luft im Kreis herumzudrücken (im Gegensatz zu einem Strömungsprofil), und die Zentrifugalkraft übernimmt die Komprimierung: Der Zentrifugalkompressor ist blau eingekreist. Wie Sie sehen können, drückt das Laufrad, wenn es sich dreht, Luft zur Seite.

Bildquelle - https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Saturn_MD-120_cutaway.jpg

Ein Axialkompressor hat Schaufeln, die wie kleine Rotoren funktionieren (die eigentlich nur rotierende Flügel sind) – die Rotoren beschleunigen die Luft und die Statoren verlangsamen die Luft wieder, wobei sie diese kinetische Energie verwenden, um das Gas zu komprimieren. Genau wie Flügel können diese Schaufeln blockieren und ihre Funktion verlieren, wenn die Eingangsströmung ausreichend gestört wird (so dass der lokale Anstellwinkel eines Teils der Schaufel für die gegebenen lokalen Strömungsbedingungen zu hoch ist). Dieser Strömungsabriss kann sich dann möglicherweise auf andere Schaufeln oder auf das gesamte Triebwerk ausbreiten.

Wie Sie sagten, funktionieren die Flügel eines Laufrads in einem Zentrifugalkompressor nicht wie Tragflächen (stattdessen drehen sie sich nur und drücken Luft herum, ähnlich wie ein Drehkreuz). Wenn sie also auf Luftstromstörungen stoßen, bleiben sie nicht stehen wie ein Flügel würde. Wenn die Luftstromstörung so etwas wie eine starke Einschränkung des Luftstroms ist, wird der Kompressor natürlich pumpen, aber dies wird in der Praxis als selten angesehen.

Daher ist es im Vergleich zu einem Zentrifugalkompressor, bei dem der Luftstrom eingeschränkt werden muss, viel einfacher, einen Axialkompressor zum Pumpen oder Abwürgen zu bringen (nur durch starkes Stören des Luftstroms).

Bei einem im Normalzustand arbeitenden Kompressionssystem führt eine Massenstromreduzierung zu einer Erhöhung des Druckanstiegs. Durch kontinuierliches Reduzieren des Massenstroms erreicht man den Punkt des maximalen Druckverhältnisses, ab dem der Kompressor anders arbeitet. Dies könnte zu aerodynamischem Strömungsabriss führen und die Leistung beeinträchtigen.

• Rotierender Strömungsabriss (oft als Strömungsabriss bezeichnet) ist ein stabiler Betriebsmechanismus, der es dem Kompressor ermöglicht, sich an einen sehr kleinen Massenstrom anzupassen und die Gesamtleistung zu beeinflussen. Es treten einige blockierte Zonen auf, die als „Zellen“ bezeichnet werden und eine sehr geringe Strömung (niedrige Geschwindigkeit) aufweisen. Es ist möglich, dies mit Strömungsabriss an Tragflächen zu vergleichen, aber die durch Zellen verursachte Blockierung beeinflusst das Auftreten benachbarter Schaufeln (oder stromabwärts gelegener Reihen). Beachten Sie, dass Stall (eigentlich ziemlich oft) einem Anstieg vorausgehen kann, aber nicht immer.

• Pumpen ist ein instabiler Prozess, bei dem der durchschnittliche Massenstrom des Ringraums mit der Zeit und zyklisch variiert. Der Kompressor geht von einer nicht blockierten Phase zu einer blockierten Phase und wieder zurück. Diese Strömungsinstabilität bezieht sich nicht nur auf den Kompressor allein, sondern auf das gesamte System, in dem er arbeitet. Üblicherweise wird dies mit einer Drosselklappe nachgebildet (siehe Bild unten).

Im Nennbetriebsbereich ist der Verdichter uneingeschränkt stabil, da sich Verdichter- und Drosselleitung „gegensätzlich“ verhalten. Eine kleine Verringerung des Massenstroms führt zu einer Erhöhung des Druckanstiegs durch den Kompressor und einer Verringerung des Druckabfalls in der Drosselklappe. Daher beschleunigt sich die Strömung bis zu einem Gleichgewicht.

Im instabilen Bereich kompensiert die Drossel Druckanstiegsänderungen aufgrund des instationären Massenstroms nicht.

Um Ihre Frage zu beantworten, gelten die zuvor vorgestellten Mechanismen für jedes Komprimierungssystem.

Zentrifugalkompressoren arbeiten manchmal mit Strömungsabriss: in der Nähe von Induktorspitzen oder über dem Laufrad aufgrund von stromabwärtiger Asymmetrie. Aber sie könnten auch bei vorhandenem Strömungsabriss stabil bleiben, und es ist weniger wahrscheinlich, dass ein Pumpen auftritt.

Der Grund dafür ist, dass ein großer Teil der Verdichtung durch Zentrifugaleffekte mit oder ohne rotierendem Strömungsabriss erfolgt. Die Kompressorlinie im blockierten Bereich (im vorherigen Diagramm) ist wahrscheinlich flacher (und daher stabiler) für eine Zentrifuge.

Die von einem Kompressor geleistete Arbeit kann mit dem Euler-Theorem (unter Berücksichtigung des Einlass- / Auslassmoments des Impulses) geschätzt werden:

Dies impliziert zwei Möglichkeiten, einen Kompressor zu bearbeiten: Strömung umlenken (V Theta) und/oder Querschnitt vergrößern (Radius r). Letzteres hängt offensichtlich mit Zentrifugalkräften zusammen.

Wenn Strömungsabrisse auftreten, wird die Abweichung (V Theta) zumindest lokal beeinflusst (da ein rotierender Strömungsabriss ein 3D-nicht-achsensymmetrisches Phänomen ist). Beim Axialkompressor erfolgt der größte Teil des Druckanstiegs durch Abweichung. Dies ist für Zentrifugalkompressoren nicht so signifikant.