Turbolente Strömung

Turbulente Berechnungsmodelle für Gaslager ermöglichen den Betrieb von Kompressoren bei hohen Drücken am Einlass

Die neue Generation der Hochdruck-Kompressoren von Celeroton CT-6000-Ar kann mit Eintrittsdrücken von bis zu 190 bara arbeiten. Bei diesen Spezifikationen sind nicht nur die mechanischen Aspekte bei der Systemauslegung zu berücksichtigen, sondern es ergeben sich auch spezielle Randbedingungen für das Design der Gaslager. Aufgrund der hohen Dichte ändert sich die Strömungsform in den Lagern von laminarer zu turbulenter Strömung. Nachstehende Abbildung visualisiert dies anhand des bekannten Stromfaden-Versuchs von Reynolds aus dem Jahr 1883¹. Hier wird in eine Rohrströmung variabler Geschwindigkeit (und damit Reynoldszahl) Farbe eingetragen. Bei geringer Geschwindigkeit verläuft die Farbe in einem geraden Strich. Übersteigt die Reynoldszahl eine kritische Grösse, so findet verstärkter Queraustausch in der Strömung statt – der Stromfaden verwirbelt sich.

Bisherige Literaturansätze zur Berechnung der Herringbone-Gaslager-Struktur modellieren nur den laminaren Bereich². Dies war bis dato ausreichend, da gängige Anwendungen aufgrund der verhältnismässig engen Lagerspalte und Prozess-Randbedingungen eine kleine Reynoldszahl aufweisen, und damit ein laminares Strömungsprofil besitzen. Die hohe Gasdichte verknüpft mit anderen Gas-Eigenschaften führt uns für den CT-6000-Ar jedoch in den turbulenten Strömungsbereich. Der Berechnungs- und Modellierungsaufwand steigt hier sehr stark an, wie aus diversen Veröffentlichungen aus dem Bereich der nummerischen Strömungssimulation beispielsweise von Radialverdichtern bekannt ist. Mit der Entwicklungserfahrung von Celeroton konnten vereinfachte Berechnungsmodelle entwickelt und validiert werden, die nun auch die Auslegung von Herringbone-Gaslager-Strukturen im turbulenten Strömungsbereich ermöglichen. Hiermit eröffnen sich neue Anwendungsperspektiven für gasgelagerte Turbo Kompressoren bei hohen Drücken oder auch bei Gasen mit sehr hoher Dichte wie beispielsweise Kältemitteln.

[1] Reynolds, Osborne: An Experimental Investigation of the Circumstances Which Determine Whether the Motion of Water Shall Be Direct or Sinuous, and of the Law of Resistance in Parallel Channels, Vol. 174, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1883, pp. 935-982.

[2] Vohr, J. H., and Chow, C. Y., Characteristics of Herringbone-Grooved, Gas-Lubricated Journal Bearings, 87(3), Journal of Basic Engineering, 1965, p. 568.