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Maschinenbau
Bachelor

Thermische Strömungsmaschinen

Im Labor werden experimentelle Untersuchungen in thermischen Strömungsmaschinen an einer Gasturbine, im Axialverdichter und im sich in Aufbau befindenden Radialverdichter durchgeführt.

Gasturbinenprüfstand

Gasturbinen können schnell in Betrieb gesetzt werden und dienen daher als Spitzenlastkraftwerke für die Stromerzeugung. Durch die kompakte Bauweise der Gasturbine werden diese auch als Antriebe in Schiffen, im Kfz und in Diesellokomotiven eingesetzt. Bedeutende Anwendung hat die Gasturbine als Triebwerk in Flugzeugen erfahren.



Beim Gasturbinenprüfstand werden folgende Größen messtechnisch bestimmt oder aus anderen Messgrößen berechnet:

  • Der Luftmassenstrom am Gasturbineneintritt wird mit Hilfe der Einströmdüse ermittelt
  • Die Brennstoffmenge wird im Brennstoffzuteilsystem gemessen
  • Das Drehmoment wird über einen eingebauten Torsionsstab (Verdrehwinkel) erfasst
  • Die Drehzahl der Gasturbinenabtriebswelle wird induktiv mit Hilfe einer Zahnscheibe bestimmt
  • Die Temperaturen in der Gasturbine werden mit Thermoelementen gemessen
  • Die Drücke in der Gasturbine werden mit Drucksensoren erfasst


Die technischen Daten der Gasturbine:

 Nennleistung (Nutzleistung)Pnutz = 73,5 kW (100 PS
 Getriebeverhältnisz = 16,667:1
 Druckverhältnisπ < 2,8
 LuftdurchsatzmLuft= 0,9 kg/s
 Zünddrehzahlnzünd 5000 U/min
 BrennstoffHeizöl EL
 EinlaufdüseD = 135 mm
 Drehzahl der Nutzmaschine(Wasserwirbelbremsennutz = 3000 U/min
 Eintrittstemperatur VerdichterTUmg 20 °C
 Austrittstemperatur VerdichterTVerd = 250-300°C
 Eintrittstemperatur TurbineTTurb_ein = 700-1000°C
 Austrittstemperatur TurbineTTurb_aus = 400-500°C

Axialversdichterprüfstand



Im Axialverdichterprüfstand werden der Strömungszustand in der Axialverdichterbeschaufelung, die relevanten Kenngrößen des Axialverdichters und das Betriebsverhalten der Gesamtanlage - bestehend aus Axialverdichter und Last (Verbraucher) bestimmt.
Bei Axialverdichtern erfolgt die Hauptströmungsrichtung in axialer Richtung. Die Axialverdichterstufe - bestehend aus Laufrad und Leitrad - wird axial angeströmt, im Laufrad wird die Strömung in Umfangsrichtung umgelenkt und nach dem Leitrad erfolgt die Abströmung in axialer Richtung.

Beim Axialverdichterprüfstand werden folgende Kenngrößen messtechnisch ermittelt oder aus anderen Messgrößen berechnet:

  • Der Massenstrom am Axialvedichtereintritt mittels der Einströmdüse
  • Die Strömungsgeschwindigkeiten über der Axialverdichterstufe (Laufrad, Leitrad) mit Dreilochsonden bzw. Vierlochsonden
  • Das Drehmoment an der Axialverdichterwelle des Antriebsmotors über eine Messwaage
  • Die Drehzahl über einen Tachogenerator
  • Der Arbeitspunkt des Verbrauchers über die Verstellung einer Drosselklappe (Jalousiewinkel)
  • Die Druckverteilung im Axialverdichter über Messbohrungen und mit einem Druckscanner

Folgende Parameter und Kennlinien werden im Axialverdichterprüfstand ermittelt:

  • Die Verbraucher- bzw. Lastkennlinie
  • Der Druckverlauf in der Axialverdichterstufe
  • Der Zustandsverlaufs im Axialverdichter im h,s-Diagramm
  • Der Strömungszustand über der Axialverdichterstufe
  • Die Geschwindigkeitsdreiecke und Schaufelpläne im Mittelschnitt
  • Verdichterkennlinie des Axialverdichters
  • Die Arbeitspunkte des Axialverdichters (Gesamtanlage)
  • Der Polytropenexponent n des Axialverdichters
Die Messwerterfassung und -ansteuerung des Druckscanners und die Weiterverarbeitung der Messwerte erfolgt in LabVIEW.

Technische Daten des Axialverdichters:
 VolumenstromV = 4,5 m³/s
 AntriebsleistungPan = 5,25 kW
 DrehzahlnAV = 3000 U/min
 Druckdifferenz der AxialverdichterstufeΔp = 981 Pa = 9,81 mbar

Radialverdichter

Der jetzige Radialverdichterversuchstand ist im Rahmen mehreren Abschlussarbeiten entstanden und gehört zu den neueren Prüfständen im Energietechniklabor.

Versuchsaufbau des Radialverdichterprüfstandes



Der Prüstand ermöglicht es, die Arbeitsweise und das Betriebsverhalten von Radialverdichtern näher kennen zu lernen und gleichzeitig einen großen Lastbereich des Verdichters abzudecken. Anders als beim Axialverdichterprüfstand sind hier zwei Radialverdichter installiert die parallel oder auch einzelnen betrieben werden können. An diesen Radialverdichtern lässt sich ein Druckkessel über Magnetventile zuschalten um damit dem Pumpverhalten (Pumpbetrieb) der Radialverdichter entgegen zu wirken. Genutzt wird der Radialverdichter zusätzlich zur Kalibrierung von Sonden weshalb hier der gleiche Kalibrierkanalaufbau wie an dem Sondenkalibrierungsprüfstand.
Ein Verbraucher wie die Jalousie beim Axialverdichter ist hier nicht zu finden, die verschiedenen Lastbereiche können über die Magnetdrosselklappen eingestellt werden.

Aufbau des Radialverdichters

Auf der Abbildung oben ist ein Einstufiger Radialverdichter zu sehen, dieser besteht aus einer rotierenden Welle gelagerte Verdichterlaufrad und einem Schaufellosem Diffusor oder auch Spirale genannt. Angetrieben wird die Verdichterstufe über einen Elektromotor an der rotierenden Welle. Die Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang des Verdichters ist dabei abhängig von der Anzahl der Verdichterstufen.


Funktionsprinzip Radialverdichter


Beim Radialverdichterprüfstand werden folgende Kenngrößen messtechnisch ermittelt oder aus anderen Messgrößen berechnet:

  • Messung der Druckdifferenz der Einlaufdüse an der Ansaugung des Radialverdichters und des daraus resultierenden Massenstroms
     
  • Temperaturmessung über den ganzen Verdichtungsprozess an der Ansaugstrecke und im Verdichterlaufrad
     
  • Messung des Wiederstandes des Motors in Abhängigkeit zur Temperatur
     
  • Bestimmung der Kalibrierfaktoren durch den Druckverlauf der Strömungssonde in Abhängigkeit zum Gier- und Nickwinkel und der daraus resultierenden Geschwindigkeiten (siehe Sondenkalibrierung)

Untersuchungen

  • Bislang konnten einige Studenten bereits erfolgreich Untersuchungen an diesem Teststand durchführen.
     
  • Untersuchung der Elektromotor- und Lagerkühlung unter verschieden Betriebsbedingungen und Absaugungsstufen.
     
  • Kalibrierung einer Keilsonde (Vierlochsonde) für den Einsatz an der Kaplanrohrturbine.

Daten des Radialverdichters

Drehzahl:38000 U/min
Massenstrom411 g/s
Verdichtungsverhältnis1,76

Energie- und Strömungstechnik

Raum: H059
Telefon: 0751/501-9554

Kontakt

Laborleiter:
Prof. Dr.-Ing Gerd Thieleke

Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Lars Franke M.Eng.

Labormeister:
Thomas Frei