Ein Beitrag zur Betriebspunktbestimmung an Axialverdichtern

Rocco Reinhardt

eingereicht am 18. Dezember 2018
verteidigt am 17. Dezember 2018

Gutachter:

Prof. Dr.-Ing. Torsten Jeinsch, Universität Rostock
Prof. Dr. rer. nat. habil. Hartmut Ewald, Universität Rostock
Prof. Dr.-Ing. Peter Dünow, Hochschule Wismar

Zugriff über RosDok

 

Kurzfassung

Die Bestimmung von Betriebspunkten an Axialverdichtern ist zumeist mit nicht zu vernachlässigen Unsicherheiten verbunden. Dies liegt an der schwierigen Erfassung der Größen von Massendurchfluss und Totaldruck. Zudem beeinflussen die entsprechenden Sensorenden Strömungskanal und sind infolgedessen als invasiv einzustufen. In der Konsequenz wird oftmals auf die Erfassung der Größen verzichtet. Die Folge ist ein nicht optimaler Einsatz der bereits vorhandenen bzw. zukünftig einzusetzen der Aktuatorik am Axialverdichter.Ein Betrieb des Verdichters im Wirkungsgradoptimum wird verhindert.

Die Arbeit befasst sich mit einem neuen Konzept und einem daraus abgeleiteten mini-mal invasiven Messverfahren zur Bestimmung des Betriebspunktes von Axialverdichtern.Es basiert auf der messtechnischen Erfassung von Schaufelauslenkungen mit optischen Sensoren, die in der Verdichterwandung angebracht sind und somit den Strömungskanal nicht beeinflussen. Umfangreiche Analysen und Untersuchungen der Arbeitsweise von Axialverdichtern ergeben, dass die Belastung der Verdichterschaufeln von aerodynamischen Kräften hervorgerufen werden, die vom Massendurchfluss, vom Druckverhältnis und von der Drehzahl des Verdichters abhängen. Daraus wird abgeleitet, dass die Auslenkungen bzw.die Positionen der Schaufelspitzen zu einer Referenz Informationen zum Betriebspunkt enthalten und die Betrachtung der Schaufel als Sensor zutreffend ist.

Die Erfassung der Auslenkungen erfolgt mit dem Blade-Tip-Timing-Messverfahren, bekannt aus der Schwingungsanalyse der Laufschaufeln von Strömungsmaschinen. Die kleinen Messeffekte im Mikrometerbereich in Verbindung mit den hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Schaufeln bedingen die detaillierte Analyse und Untersuchung der digitalen hochaufgelösten Zeitmessung und die Weiterentwicklung des Blade-Tip-Timing-Messverfahrens.Eine neue Referenz zur Bestimmung der Auslenkungen wird vorgestellt. Mit deren Hilfe wird die Streuung bei der Positionsbestimmung der Schaufelspitze zu einer Referenz um den Faktor 13 reduziert. Weiterhin wird ein verbesserter optischer Sensor präsentiert, der eine rotationssymmetrische Empfangscharakteristik zeigt. Er erreicht eine Neutralisation der Querempfindlichkeit in der Orientierung des Sensors zur Schaufel. Messungen mit den Sensoren zeigen eine verbesserte Präzision von bis zu 50 %.

Untersuchungen an einem Verdichterprüfstand bestätigen die Annahmen zu den Betriebspunkt abhängigen Schaufelauslenkungen. Die Drosselung eines Verdichters bei konstanter Drehzahl bewirkt über einen weiten Bereich eine Zunahme der Schaufelauslenkung. Die Auslenkung erreicht kurz vor der Pumpgrenze bzw. der Instabilität des Verdichters ein Plateau und sinkt dann leicht wieder ab. Das Erreichen des Plateaus indiziert in der Folge einen kleinen verbleibenden Abstand zur Pumpgrenze des Verdichters. Eine auf Kennfeldernbasierende Bestimmung des Betriebspunktes von Axialverdichtern ist mit der Schaufelaus-lenkung und zumindest der Drehzahl als Eingangsgrößen möglich. Die Ausgangsgrößen sind das Druckverhältnis, der Massendurchfluss und der Wirkungsgrad. Das Wirkungsgradoptimum eines Verdichters ist bei einer Drehzahl eindeutig einer Schaufelauslenkung zuzuordnen. Die zur Identifikation des Betriebspunktes verwendeten Schaufelauslenkungen betrugen am Verdichter bis zu 40μm - bei einer Streuung der gemittelten Werte von ca.0.2μm.