Entwicklung eines numerischen Tools zur Auslegung und technischen Verhaltensvorhersage statischer Gaslager in Verdichtern
Untersuchung an statischen Gaslager mit Kippsegmenten und Mikro-Düsen
Die Entwicklung fortgeschrittener Prozessverdichter spielt eine zentrale Rolle in modernen wasserstoffbasierten Energiespeicheranwendungen und Industrieprozessen. Die Verwendung eines aerostatischen Lagers bietet im Vergleich zu den üblich verbauten hydrodynamischen Gleitlagern signifikante Vorteile und gibt den Strömungsmaschinenherstellern einen Wettbewerbsvorteil. Zu diesen Vorteilen zählen erhöhte Umfangsgeschwindigkeiten und eine ölfreie Lagerung. Die ölfreie Lagerung vereinfacht das Dichtungssystem und schließt das Risiko einer kostspieligen Verunreinigung der Arbeitsflüssigkeit im Falle einer Kontamination aus. Die geringe Viskosität des Schmierfilms führt zu geringer Reibung, geringem Verschleiß und einer langlebigen Lösung für das Lager. Durch den aerostatischen Effekt entsteht der tragende Schmierfilm bereits bei einer stillstehenden Welle, wodurch der Stick-Slip-Effekt im Start-Stopp-Vorgang vermieden wird. Die Kippsegmenten können sich um Ihre Stützpunkte drehen und sich in Radialrichtung verschieben. Während des Betriebs kann sich die Welle aufgrund von hoher Temperatur und Zentrifugalkraft vergrößern. Die Position der Welle kann sich durch Schwingung verändern. Mit Hilfe der Bewegung von Kippsegmenten kann sich das Lager besser an die Veränderungen der Welle anpassen.
Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer numerischen Software zur schnellen Vorauslegung von aerostatischen Kippsegmentlagern mit Mikrodüsen. Die Genauigkeit der Performanceberechnung wird durch die Berücksichtigung von betriebspunktabhängigen Discharge-Koeffizienten CD der Mikrodüsen verbessert. Die CD-Werte werden mittels CFD-Software ermittelt und durch experimentelle Tests validiert. Dadurch soll es ermöglicht werden, innerhalb weniger Sekunden eine ölfreie und verschleißarme Gaslagerung für Turbomaschinen auszulegen.
Vorhaben:
Konstruktion und numerische/experimentelle Untersuchung von Mikrodüsenprototypen:
Die Einflüsse der Geometrie und der Betriebspunkte von Düse auf den Discharge-Koeffizienten werden ermittelt. Der absolute Förderdruck der Düse beträgt bis zu 21 bar. Der Schmierspalt liegt innerhalb von Mikrometern. Durch CFD-Simulationen und Experimenten werden die Verständnisse des Strömungsverhaltens im Schmierspalt verbessert.
Verbesserung der numerischen Modellierung:
Das betriebspunktabhängige Verhalten der Düse soll in der entwickelten Software modelliert werden. Eine Datenbank und eine Approximationsfunktion werden für die CD-Werte aufgebaut bzw. herleitet.
Entwicklung einer Software zur Berechnung von aerostatischen Kippsegmentlagern mit Mikrodüsen mit geringen Rechenaufwand:
Eine Software soll mit Hilfe von Untersuchungsergebnissen entwickelt werden, um das technische Verhalten des Lagers vorherzusagen. Außerdem ist ein guter Algorithmus erforderlich, um den Berechnungsaufwand zu verringern.
Danksagung
Unser besonderer Dank gilt der AG Turbo, in der DLR, Industrie, Hochschulen und Forschungseinrichtungen seit über 35 Jahren gemeinsam an innovativer Turbomaschinenforschung arbeiten. Ebenso danken wir unserem Industriepartner Siemens Energy Global GmbH & Co. KG herzlich für die engagierte Unterstützung und wertvolle Beratung. Unser Dank gilt darüber hinaus allen weiteren Partnern, mit denen die Zusammenarbeit einen unverzichtbaren Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung des Projekts in der Zukunft leistet.
