Entwicklung eines „Numerischen Prüfstandes“ für Turbinenradgaszähler

Dipl.-Ing. Hoch, Toralf

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Das Ziel der eingereichten Dissertation ist es, einen „Numerischen Prüfstand“ für Turbinenradgaszähler (TGZ) zu entwickeln. TGZ werden zur Volumenstrommessungen eingesetzt und die Messgenauigkeit muss über den gesamten Betriebsbereich innerhalb bestimmter Fehlergrenzen liegen. Der Messfehler über den Volumenstrom wird mit einer Fehlerkurve dargestellt. Diese wird unter realen Bedingungen auf Prüfständen ermittelt, welches sehr kostenintensiv ist. Für die Weiterentwicklung von TGZ sind Designänderungen und die Betrachtung der Auswirkung auf die Fehlerkurve notwendig. Diese Untersuchungen sind durch die Überprüfung auf Hochdruckprüfständen zeitintensiv und teuer. Für eine schnellere und kostengünstigere Entwicklung von TGZ musste ein neuartiger Ansatz gefunden werden. Die heutige Computer- und Softwaretechnik ermöglicht die Verwirklichung der Idee der Überführungen von realen Prüfständen in virtuelle, „Numerische Prüfstände“. Die eingereichte Arbeit beginnt mit der Darstellung des früheren und derzeitigen Stands der Technik hinsichtlich des eigenen Forschungsvorhabens. Daraus entwickelt sich Idee der Realisierung und Erkenntnis der Notwendigkeit solch eines Entwicklungswerkzeuges. Die Arbeit stellt die erforderlichen theoretischen Grundlagen der Turbinenradbewegung dar, in welchen die auf das Turbinenlaufrad wirkenden Kräfte betrachtet werden. Auf diese Grundlagen bauen folgende elementare Ansätze der Dissertation auf und stellen den Kern dieser dar: auf die Turbinenschaufel des Laufrades wirken Auftriebs- und Widerstandskräfte; die Grundlagen formulieren getrennte Momentengleichungen für Auftriebs (airfoil approach)- und Widerstandskräfte (momentum approach); in der vorliegenden Arbeit wird angenommen, dass kein Theorie für sich separat wirkt, sondern eine Überlagerung dieser Kräfte vorhanden ist. bei einem idealen Zähler durchströmt das Fluid den Zähler bzw. das Turbinenrad verlustfrei, d.h. ohne Turbulenz; wenn Verluste in einem realen TGZ entstehen, ist die Strömungsgeschwindigkeit vor dem Rotor höher als hinter dem Rotor; es erfolgt eine Bilanzierung der Anström- und Abströmgeschwindigkeiten über das Turbinenrad am Laufrad angreifenden Antriebskräften wirken auch Bremskräfte entgegen und verringern die Rotationsgeschwindigkeit. Hauptbremskräfte sind Lagerreibungskräfte und fließen als Momentenbeiwert in die Theorie mit ein. Die auf das Lager wirkende Kraft wurde mit Hilfe der Simulation berechnet und der „Numerische Prüfstand“ wird durch die Beachtung dieser Einflüsse genauer und realitätsnaher. Die Theorie des neuentwickelten „Numerischen Prüfstandes“ wurde in einem Computerprogramm zusammengefasst. Damit ist eine schnelle Berechnung und übersichtliche Darstellung Dank einer grafischen Benutzoberfläche der berechneten Kurven gewährleistet. Zur Validierung des „Numerischen Prüfstandes“ werden gemessene Kurven mit berechneten Kurven verglichen. Auf einem Hochdruckprüfstand wurden Fehlerkurven bei einem Prüfdruck von 1 bar und 10 bar mit dem Prüfmedium Luft aufgenommen. Bei gleichen physikalischen Randbedingungen zeigen die berechneten Kurven ein grundsätzlich ähnliches Verhalten bei verschiedenen Drücken und somit eine gute Übereinstimmung. Es konnte somit nachgewiesen werden, dass der „Numerische Prüfstand“ anwendungsfähig ist. Es wurden weitere Untersuchungen zur Überprüfung des Prüfstandsverhaltens durchgeführt und um die praxisrelevante Probleme zu lösen. Folgende drei Inhalte waren Gegenstände weiterer Analysen: Das Betriebsverhalten eines TGZ wird stark durch die Düse unmittelbar im Abströmbereich beeinflusst. Diese Düse wird durch das Messwerksgehäuse und dem TGZ - Gehäuse gebildet. In der eingereichten Arbeit wird detailliert untersucht, wie die Kanten vom Messwerksgehäuse oder des TGZ - Gehäuses die Strömung beeinflussen. Der „Numerische Prüfstand“ wurde dahingehend untersucht, dass dieser den Zusammenhang erfassen kann, dass ein positiver Fehler durch ein beschleunigtes Turbinenrad verursacht wird, und umgekehrt. In den Simulationen wurde die Umdrehungsgeschwindigkeit verringert bzw. erhöht und die Kurve konnte somit geglättet werden. Der Prüfstand kann diesen Zusammenhang demnach erfassen. Durch eine starke Vorstörung verursachter Links – oder Rechtsdrall wird das Turbinenrad beschleunigt oder gebremst. In der Arbeit wurde ein Linksdrall berechnet und als Anströmbedingung für den TGZ verwendet. Das rechtsdrehende Turbinenrad wird gebremst und die Kurve fällt vorne ab. Dieser Effekt entspricht der Erwartung durch zahlreiche Veröffentlichungen und der eigenen Erfahrung. Hier bildet der „Numerische Prüfstand“ die Realität ebenfalls gut ab. Durch die eingereichte Arbeit kann dem Entwicklungsingenieur von Turbinenradgaszählern ein neues, schnelles und kostengünstiges Werkzeug zur Verfügung gestellt. Die Nutzbarkeit des „Numerischen Prüfstandes“ ist durch Beispielrechnungen und typische ingenieurpraktische Fragen bewiesen worden.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Turbinenradgaszähler, Fehlerkurve, Numerische Simulation, Numerischer Prüfstand
Beitragende:
Prof. Dr.-Ing. Lavante, Ernst von [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr.-Ing. Kowalczyk, Wojciech [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
21.11.2011
Dokument erstellt am:
02.04.2012
Promotionsantrag am:
01.04.2011
Dateien geändert am:
02.04.2012
Medientyp:
Text
Bezug:
September 2007 bis November 2011