Experimentelle Verifikation eines Simulationssystems für eine GASSCREW

摘要

Mitte der 80er Jahre begann an der Universität Dortmund die Entwicklung eines neuartigen Antriebskonzeptes, das es ermöglichen sollte, im Wettbewerb mit der Gasturbine kleine bis mittlere Massenströme auf hohem Temperaturniveau wirtschaftlich in Wellenarbeit zu wandeln. Die Idee war, den in der Gasturbinenanlage eingesetzten Turboverdichter durch einen Schraubenverdichter und die Turbine durch einen Schraubenmotor zu ersetzen. Das daraus resultierende Prinzip, eine Heißgasschraubenmaschine, wird heute GASSCREW genannt, auch um die thermodynamische Nähe zur GASTURBINE zu kennzeichnen. Die vorliegende Arbeit, in der erstmalig eine solche Anlage in Betrieb genommen wurde, beschreibt die Untersuchung des simulationsgestützt ausgelegten GASSCREW­Motors und die Ergebnisse des Schraubenmotorbetriebs auf einem Temperaturniveau von zunächst 600°C. Die Verifikation des erarbeiteten Simulationssystems liefert einen Beitrag zur Beurteilung seiner Abbildungsgüte und seiner Weiterentwicklung. Mit Hilfe des verifizierten Simulationssystems wird es möglich sein, das Betriebsverhalten zu weiter gesteigerten Motoreintrittstemperaturen vorauszubestimmen und mit nächsten Generationen der GASSCREW zu höheren Wirkungsgraden und kompakterer Bauweise vorzudringen. Die Auslegung der GASSCREW für diese Arbeit beinhaltet neben der Vorausberechnung des Betriebsverhaltens die Berechnung des thermischen und mechanischen Bauteilverhaltens und der daraus resultierenden vorzugebenden Fertigungstoleranzen für den GASSCREW­Motor unter Berücksichtigung der aufzubringenden Rotorbeschichtung und der sich einstellenden Spalthöhen. Das Hauptaugenmerk der experimentellen Untersuchungen liegt auf dem stationären Betrieb des thermisch hoch belasteten GASSCREW­Motors. Eine Betrachtung des Gesamtsystems der GASSCREW ist nicht Ziel dieser Arbeit, es soll nachfolgenden Untersuchungen vorbehalten bleiben. Die Experimente umfassen thermodynamische Maschinendaten, die Indizierung des GASSCREW­Motors, die thermografische Erfassung der Gehäuseoberflächentemperaturverteilung sowie die telemetrische Messung der Hauptrotortemperatur in Abhängigkeit von Hauptrotordrehzahl, Motoreintrittsdruck und Motoreintrittstemperatur. Des weiteren zeigt eine Variation der Kühlparameter, dass eine gezielte Kühlung der Bauteile auf einem solch hohen Temperaturniveau werkstoffbedingt möglich und notwendig ist, eine zu intensive Kühlung sich jedoch negativ auf den Energiehaushalt des GASSCREW­Motors auswirkt.