Eine Durchsicht der Literatur zu Mixed-Flow-Turbomaschinen zeigt eine überraschende Variation in der Art und Weise, wie Ingenieure den Begriff „Mixed-Flow-Turbomaschine“ verwenden. Es stechen insbesondere zwei Hauptkonzeptionen des Begriffs hervor. Nach der ersten Auffassung bezieht sich „Mischströmung“ auf die Vereinigung axialer und radialer Strömungsrichtungen zu einer diagonalen Strömung, was zu dem führt, was manche nennen Diagonale Turbomaschinen. Im zweiten Konzept bezieht sich „Mischströmung“ auf die Kombination unterschiedlicher Elemente, wobei die Strömung in einigen Fällen axial und in anderen Fällen radial ist. Diese Art von Maschine wird manchmal als „Maschine“ bezeichnet Axial-Radial-kombinierte Turbomaschine.

Diagonale Turbomaschinen nutzen einen Strömungswinkel zwischen axial und radial und können als bloße Varianten von Radialmaschinen betrachtet werden. Durch den diagonalen Strömungswinkel profitieren diese Maschinen von einigen Vorteilen sowohl der axialen als auch der radialen Strömung. Im Gegensatz dazu stellen axial-radial kombinierte Turbomaschinen eine strategische Integration sowohl axialer als auch zentrifugaler Konstruktionen dar.

Angesichts der mehrdeutigen Verwendung des Begriffs könnte man sich durchaus fragen, was eine Mixed-Flow-Turbomaschine wirklich ausmacht. Handelt es sich um die Konvergenz von Strömungsrichtungen, um die strategische Verschmelzung verschiedener Maschinentypen oder um eine Verschmelzung von Designelementen?

Diagonale Turbomaschinen zeichnen sich durch den meridionalen Austrittswinkel ihrer Strömung aus, der zwischen 0 und 90 Grad liegt. Durch diese Geometrie kann die Strömung näher an einer axialen Richtung austreten, wobei der mittlere Austrittsradius größer ist als der des Einlasses. Bei Mixed-Flow-Kompressoren ermöglicht diese Konstruktion höhere Wirkungsgrade bei begrenzter Querschnittsfläche. Dieser vorteilhafte Aufbau erfüllt einen kritischen Bedarf in verschiedenen Anwendungen wie z unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), bei denen die Integration von Gasturbinen eine überlegene Leistung bei begrenzten räumlichen Beschränkungen sowie ein hohes Schub-Gewichts-Verhältnis erfordert.

Bei Mixed-Flow-Turbinen hingegen bringt die Kombination von radialen und axialen Turbinenelementen ihre eigenen Vorteile mit sich. Durch die Minimierung der Krümmung des Strömungspfads und die Reduzierung der Sekundärströmung können axial-radial kombinierte Turbinen die Leistung optimieren. Dieses Hybriddesign beinhaltet einen variablen Kegelwinkel am Schaufeleinlass, der einen Schaufelwinkel ungleich Null ermöglicht und gleichzeitig die radiale Integrität beibehält. Die Vorwärtsbewegung am Einlass steigert nicht nur die Leistung, sondern sorgt auch für strukturelle Stabilität – ein entscheidender Faktor für die Effizienz und Zuverlässigkeit der Turbine. Im Vergleich zu Radialturbinen verfügen Axial-Radial-Kombinationsturbinen über eine inhärente Flexibilität in Design und Betrieb, was sie zur idealen Wahl für verschiedene industrielle Anwendungen macht, bei denen Effizienz, Anpassungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind.

Diese Kombination wird insbesondere in Gasturbinentriebwerken eingesetzt, wo die Integration von Axial- und Zentrifugalverdichtern eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Gesamteffizienz und -leistung spielt. Bei der Kombination wird der Axialverdichter als Niederdruckverdichter vorne positioniert, während der Radialverdichter hinten die Rolle des Hochdruckverdichters übernimmt.

Durch die Platzierung von Radialkompressoren in der Endstufe wird das reduzierte Gas- oder Luftvolumen in dieser Stufe genutzt, was eine kleinere Kompressorgröße ermöglicht und die mit größeren Frontbereichen verbundenen Herausforderungen verringert. Darüber hinaus sind Radialkompressoren aufgrund des großen Betriebsbereichs der Massenströme ohne Strömungsabriss in der Lage, das verringerte Volumen in den letzten Verdichtungsstufen zu bewältigen.

Im Gegensatz dazu verwenden Radial-Axial-Kombinationsturbinen die umgekehrte Anordnung zu Axial-Zentrifugalverdichtern. Bei diesen Turbinen gelangt die Strömung zuerst in den radialen Teil und nutzt so die variable Reichweite der Radialturbinen. Nach der Expansion wird die Strömung dann in den axialen Teil geleitet, wobei die hohe Durchflusskapazität von Axialturbinen genutzt wird. Diese Anordnung optimiert die Nutzung sowohl der radialen als auch der axialen Turbinenkapazitäten und ermöglicht so eine effiziente Energiegewinnung und -nutzung über ein breites Spektrum von Strömungsbedingungen hinweg.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kategorisierung sowohl diagonaler als auch axial-radialer kombinierter Turbomaschinen unter dem Oberbegriff „Mischstrom-Turbomaschine“ von großem Nutzen ist. Bei diagonalen Strömungsmaschinen spiegelt der Begriff „Mischung“ direkt die Strömungseigenschaften wider, die zwischen der rein axialen und radialen Richtung liegen. Dieser Zwischenströmungsweg verkörpert die Essenz der Vermischung zweier unterschiedlicher Strömungsmuster und führt zur effizienten Nutzung sowohl der axialen als auch der radialen Strömungsvorteile.

Auch bei Axial-Radial-Kombinationsturbomaschinen schwingt der Begriff „Mischströmung“ mit der Integration von Axial- und Radialmaschinen mit. Die kombinierte Geometrie ermöglicht es Ingenieuren, die Stärken von Axial- und Zentrifugalverdichtern in Gasturbinentriebwerken zu nutzen und so eine optimierte Leistung und Effizienz zu erreichen. Der Begriff „Mix“ unterstreicht hier die strategische Kombination dieser beiden unterschiedlichen Maschinentypen und ermöglicht die Nutzung ihrer individuellen Vorteile in einem einheitlichen, synergetischen System.

Vor dem Hintergrund dieser Überlegungen möchten wir eine Frage stellen: Was bedeuten Mixed-Flow-Turbomaschinen für Sie? Zeigen sie die Konvergenz der Strömungsrichtungen, die Verschmelzung verschiedener Maschinentypen oder vielleicht eine subtile Verschmelzung verschiedener Design- und Betriebselemente? Wir freuen uns über Ihre Erkenntnisse und freuen uns auf Ihre Kommentare!

References:

[1] https://www.softinway.com/wp-content/uploads/2020/09/Flow-Studies-in-a-Mixed-Flow-Compressor-Stage.pdf
[2] Rajakumar, D. & Ramamurthy, Surender & Govardhan, Mukka. (2014). Experimentelle Untersuchungen zu Auswirkungen des Spitzenspiels auf die Leistung von Mixed-Flow-Kompressoren: https://doi.org/10.1177/0954410014541102
[3] https://aviation_dictionary.en-academic.com/786/axial-centrifugal_compressor

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• Quelle: https://blog.softinway.com/what-exactly-is-a-mixed-flow-turbomachine/