Radiale Turbomaschinen

Im Forschungsgebiet Radiale Turbomaschinen werden Phänomene untersucht, die für diese Maschinengattung charakteristisch sind

Entwicklung von neuartigen Turbokompressoren für leichte Gase

Im Rahmen eines der Forschungsprojekts für das CERN werden neuartige Methoden und Technologien zur Entwicklung eines energie- und kosteneffizienten kryogenen Kreislaufs für den Future Circular Collider (FCC) untersucht, wobei der Schwerpunkt auf den Beschränkungen und Möglichkeiten der Radialverdichtertechnologie für den Betrieb mit leichten Gasen liegt. Zu diesem Zweck wurde am ITSM ein Turbokompressor-Prüfstand mit geschlossenem Kreislauf entwickelt und in Betrieb genommen. Dieser Prüfstand besteht aus einem ultrahochdrehenden Turbokompressor, der direkt von einem Motor mit hoher Leistungsdichte angetrieben wird und mit Gaslagern gelagert ist. Der Prüfstand wurde so konzipiert, dass er sowohl mit Luft als auch mit einer ganzen Reihe von Neliumgemischen betrieben werden kann, d.h. von reinem Neon bis zu reinem Helium. Die Leistung der verschiedenen Verdichterstufen, einschließlich ummantelter und offener Laufräder, wurde nach einer numerischen Optimierung der aerodynamischen Leistung experimentell validiert. Darüber hinaus bietet das durch den Motor mit hoher Leistungsdichte strömende Kühlmittel die Möglichkeit, die diabatische Verdichtung unter verschiedenen Randbedingungen zu untersuchen.

Strömung durch einen ummantelten Radialverdichter
Prüfstand zur Untersuchung von Verdichtern mit unterschiedlichen Gasgemischen

Robustes Design von Düsenringen für Radialturbinen

Durch die Ablagerung von Verbrennungsrückständen im Düsenring kann es zur Resonanzanregung von Rotorschaufeln kommen, was zu Ermüdungsbruch führen kann. Diese fremderregten Schaufelschwingungen werden numerisch mit detaillierten und vereinfachten 3D-Strömungssimulationen untersucht. Im Mittelpunkt steht dabei die Berücksichtigung des Umstandes, dass in der Realität viele unterschiedliche Verschmutzungsmuster auftreten, die alle eine andere Schwingungsanregung verursachen können.

Unstrukturiertes CFD-Netz eines verschmutzen Düsenrings
Strömung um ein extrem stark verschmutztes Schaufelprofil

Neuartiges Statorkonzept für Turbolader

Am ITSM wird ein neuartiges Konzept zur Regelung der Radialturbine eines Abgasturboladers entwickelt. Bei diesem als Multiple Exhaust Duct with Source Adjustment (MEDUSA) bezeichneten Konzept kann der Betriebspunkt der Turbine über eine Teilbeaufschlagung des Rotors geregelt werden.Der MEDUSA-Stator wird dabei über den Umfang in mehrere Segmente aufgeteilt. Bei geringem Massenstrom kann die Zuströmung einzelner Segmente geschlossen werden, dadurch soll die Anströmung des Turbinenrads in den offenen Kanälen im optimalen Bereich gehalten werden. Die benötigte Mechanik ist im Vergleich zu konventionellen Regelsystemen mechanisch sehr einfach und daher robuster.

MEDUSA-Stator mit kompletter Beaufschlagung der Turbine

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