04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Untersuchungen zur aerodynamisch induzierten Schwingungsanregung von Niederdruck-Laufschaufeln bei extremer Teillast(2003) Truckenmüller, Frank; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die heutigen Marktanforderungen führen bei Dampfturbosätze zu einem stark variablen Betrieb, der in der Gesamtturbine oder in einzelnen Stufen häufiger eine sehr geringe oder sogar gar keine Durchströmung hervorruft. Dieser Betriebszustand wird Ventilation genannt, er stellt für den Turbosatz durch die auftretenden thermischen und dynamischen Belastungen eine zusätzliche Beanspruchung dar, die berücksichtigt werden muß. An einer dreistufigen Niederdruck-Modelldampfturbine wurden umfangreiche Untersuchungen im Betriebsbereich der extremen Teillast durchgeführt, wobei neben der Ermittlung der thermischen Belastung im Bereich der letzten drei Stufen die Bestimmung der dynamischen Schaufelbelastung der letzten Laufschaufelreihe das Ziel war. Die Untersuchungen ergaben maximale Temperaturen von bis zu 300°C zwischen der Vorstufe (L-1) und der Endstufe (L-0) bei geschlossenem Frischdampfschieber. Die Gegenüberstellung der gemessenen Ventilationsverluste von ein- und dreistufigem Modellaufbau zeigte, daß die Verluste des einstufigen Aufbaus in der gleichen Größenordnung wie beim dreistufigen Aufbaus lagen. Bei einem Volumenstrom kleiner 23% von der Auslegung stellt sich bei beiden Versuchskonfigurationen für das letzte Laufrad eine nahezu konstante Leistungsaufnahme ein. Pneumatische Strömungsfeldmessungen im Bereich der letzten Stufe zeigen, daß sich vor dem Endstufenlaufrad bei abnehmendem Volumenstrom eine starke Zunahme der Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung ausbildet; das Fluid wird, beginnend vom Spitzenschnitt, durch die Laufschaufel mitgerissen. Im Bereich der extremen Teillast wurde, neben einer moderaten Zunahme der Wechseldeh-nungsbelastung durch eine stochastische Anregung aller Schwingungs-Eigenformen der Endstufenlaufschaufel, in einem schmalbandigen Bereich des Volumenstromes eine dominante Anregung der zweiten und der dritten Eigenform festgestellt. Während bei der dritten Schwingungsform ein nur mäßiger Anstieg des Amplitudenniveaus gemessen wurde, zeigte sich bei der zweiten Eigenform eine bis zu sechsfache Amplitudenüberhöhung gegenüber dem sonst niedrigen Niveau. Die dynamische Belastung lag in allen Betriebsbereichen unter der Dauerschwingfestigkeit der Laufschaufel. Bei instationären Strömungsfeldmessungen wurden im äußeren Bereich des Strömungskanals vor und nach der letzten Laufreihe in einem Lastbereich zwischen 11 und 22% des Auslegungsvolumenstromes stark fluktuierende Wechseldruckanteile gemessen. Hierbei handelt es sich um pulsierend umlaufende Druckzellen, die im Relativsystem generiert werden. Der Entstehungsort und der Volumenstrombereich fallen mit der bereits erläuterten starken Zunahme der Strömungsgeschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zusammen. Die mit abnehmendem Volumenstrom geringere Differenz zwischen Fluidgeschwindigkeit und Umlaufgeschwindigkeit der Laufschaufel führt im Relativ- sowie im Absolutsystem zu einer starken Frequenzänderung dieser Wechseldruckanteile. Weiterhin vergrößert das Auftreten von höheren Ordnungen der Pulsationsfrequenz die Bandbreite der möglichen Erregerfrequenz. Dadurch stellt dieses Strömungsphänomen eine nicht zu unterschätzende Gefährdung der Laufbeschaufelung von Endstufen dar, hervorgerufen durch eine zu hohe Schwingbelastung infolge aerodynamisch induzierter Zwangsanregung.Item Open Access Theoretische und experimentelle Untersuchung zum Strahlausbreitungs- und Verdampfungsverhalten aktueller Diesel-Einspritzsysteme(2001) Schmalzing, Claus-Oliver; Stetter, Heinz (Prof. Dr.-Ing.)Dieselmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung bieten ein großes Potential den Forderungen nach hoher Wirtschaftlichkeit und Einhaltung der Abgasvorschriften gerecht zu werden. Zur Erfüllung der gestellten Forderungen muß das Einspritzsystem einen wichtigen Beitrag leisten. Untersuchungen, die an aktuellen Common-Rail- und Pumpe-Leitung-Düse-Systemen durchgeführt wurden zeigten, daß der Einfluß wichtiger Parameter auf die Strahlausbreitung und Kraftstoffverdampfung noch nicht verstanden wurde. Die Optimierung des Dieselprozesses setzt jedoch die umfassende Kenntnis der die Gemischbildung bestimmenden Parameter voraus. Aus diesem Grund wurde ein Modell entwickelt, mit welchem der Einfluß verschiedenster Faktoren auf den Gemischbildungsprozess berechnet werden kann. Die Modellentwicklung und die experimentelle Verifikation der Ergebnisse standen im Mittelpunkt der Arbeit.Item Open Access A correlation-based transition model using local variables for unstructured parallelized CFD codes(2006) Langtry, Robin Blair; Casey, Michael (Prof.)A new correlation-based transition model has been developed that is based strictly on local variables. As a result, the transition model is compatible with modern CFD techniques such as unstructured grids and massive parallel execution. The model is based on two transport equations, one for intermittency and one for a transition onset criterion in terms of momentum thickness Reynolds number. The proposed transport equations do not attempt to model the physics of the transition process (unlike e.g. turbulence models), but form a framework for the implementation of transition correlations into general-purpose CFD methods. The transition model has been extensively validated for predicting transition in both aerodynamic and turbomachinery flows. An incremental approach was used to validate the model, first on simple flat plate experiments, 2D airfoils/blades and then on progressively more complicated 3D test cases such as a low-aspect ratio compressor, a transonic wing, a full helicopter configuration and an actual wind turbine blade. In all cases good agreement with the available experimental data was observed. The author believes that the current formulation is a significant step forward in engineering transition modeling, as it allows the combination of transition correlations with general purpose CFD codes. There is a strong potential that the model will allow the 1st order effects of transition to be included in everyday industrial CFD simulations.Item Open Access Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von Gaseigenschaften auf aerodynamisch erzeugte Schallleistungen umlaufender Kreisprofile(2009) Hupfeld, Jan; Hübner, Gerhard (Prof. Dr. rer. nat.)In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss des Strömungsmediums in einem weiten Bereich von Geometrie- und Strömungsparameter auf die Generierung der Schallleistung von im Rundlauf bewegter Kreiszylinder experimentell untersucht. Das Strömungsmedium wird dabei durch Zumischung von Helium zu Luft geändert, wodurch insbesondere die Schallgeschwindigkeit im Gasgemisch im Verhältnis von etwa bis zu 1:3 verändert und damit bei gleich bleibender Geometrie der bewegten Objekte das für die Schallabstrahlung wesentliche Verhältnis von Objektabmessung zu Schallwellenlänge im gleichen Verhältnis variiert. Diese Untersuchung der Schallgenerierung von bewegten Kreiszylindern ist eine Fortführung der Arbeiten von Wittstock, bei der die Schallleistung der Kreiszylinder gleicher Abmessungs- und Geschwindigkeitsvariationen aber nur in einem Gas, in Luft, dies aber bei verschiedenen statischen Drücken gemessen wurden, also bei gleich bleibender Schallgeschwindigkeit. Schallleistungen wurden bei beiden Untersuchungsvorhaben mit dem Hallraumverfahren in einem speziellen Messraum durchgeführt, in dem Änderungen von Druck und Gaszusammensetzung in einem Bereich zwischen statischen Umgebungsdruck bis herab zu 1 kPa und für beliebige Stufungen zwischen Luft und einem Anteil von 98% Helium eingestellt werden konnten. Der für eine normgerechte Hallfeldschallleistungsbestimmung der Klasse 1 für Luft bis etwa 600 Hz herab qualifizierte Messraum machte es wegen der nun bei gleichen Frequenzen hierzu dreifach größeren Wellenlänge allerdings erforderlich tiefe Frequenzen bis herab zum Druckkammerfeld zu kalibrieren, um auch bei durch die Heliumbeimischung vergrößerten Wellenlängen hinreichend genaue Schalleistungsbestimmungen durchführen zu können. Die dazu zusammen mit einer eingehenden Diskussion der neusten Entwicklungen auf dem Gebiet der Bestimmung und Angabe von Messunsicherheiten nach ISO und GUM im Kapitel 3 und 5 durchgeführten sorgfältigen Untersuchungen führte zu Ergebnissen, die anlässlich der Tagung der Deutschen Akustischen Gesellschaft 2005 in München auch bereits in den Hauptaussagen vorgetragen und so in Fachkreisen zur Diskussion gestellt wurden. Damit kann die Verlässlichkeit der Ergebnisse dieser experimentellen Arbeit in ihrem akustischen Teil als abgesichert gelten. Eingeschlossen in diese sehr breit angelegten Voruntersuchungen sind dabei auch die Kalibrierungen der Mikrofone in der für diesen Wandler üblicherweise nicht vorgesehenen Anwendung in verschiedenen Schallträgermedien sowie die mit akustischen Mitteln durchgeführte Bestimmung der Schallgeschwindigkeit zu den jeweiligen Gasgemischen. Detailangaben zu diesen Grundlagen der ausgeführten akustischen Messungen sind in den Anhängen A.1, A.2 und A.3 wiedergegeben. Für die im Frequenzbereich unter 600 Hz erforderliche akustische Vergleichsschallquellen-Messung wurde sowohl eine aerodynamische Referenzschallquelle wie auch eine hierfür konstruierte Kolbenschallquelle verwendet, deren Schallleistungen unter Freifeldbedingungen mittels Schallintensitätshüllflächenverfahren bestimmt wurde. Die mit Hitzdraht- und Splitfilmsonden durchgeführte Strömungsmessung bedurften dementsprechend auch für die geänderten Gase spezielle Kalibrierungen, über die in Abschnitt 5 sowie in Anhang A.4 ausführlich berichtet wird. Hierfür war eine spezielle Kalibrierungsvorrichtung erforderlich, deren Entwurf und Realisierung ebenfalls in dem zuvor genannten Abschnitten beschrieben ist. Der insgesamt für die akustischen und strömungstechnischen Messungen durchgeführte Ablauf ist in den Abschnitten 6 und 7 beschrieben. Die Strömungsmessung erfolgte dabei mit einer Traversiervorrichtung parallel und entlang der Zylinderlänge im kleinen Abstand. Aus dem so in radialer Richtung erhaltenen Strömungsgeschwindigkeiten wurden für weitere Auswertungen der Mittelwert gebildet. Die eigentlichen Schallquellen sind Kreiszylinderstäbe, die zwischen zwei Scheiben eingepasst umlaufen und deren Länge zu Durchmesser im Verhältnis zwischen 1:1 bis 1:13 variiert. Dabei konnten Drehzahlen bis zu 9000 U/min entsprechend Machzahlen bis 0,4 in Luft eingestellt werden. Aus der stufenweise durchgeführten Variation von Drehzahl/Anströmgeschwindigkeit, Geometrie und Gas ergab sich eine Vielfalt von 433 einzelnen gemessenen Schallleistungsspektren. Das Ziel der aeroakustischen Auswertungen, die im Abschnitt 8 sowie detailliert in Anhang F beschrieben sind, ist die quantitative Beschreibung der generierten Schallleistung in Abhängigkeit relevanter Einflussgrößen. Jedoch galt es auch Abhängigkeiten von der Helmholtzzahl HeD und HeL und damit schallabstrahlungsrelevante Einflüsse zu untersuchen. Dazu wurde in dem Anhang A.7 eine Modellrechnung mit Hilfe der DFEM für den Dipollinienstrahler verschiedener Ordnungen ausgeführt.Item Open Access Neue Aspekte der aerodynamischen Gestaltung von Niederdruck-Endstufen-Beschaufelungen(2007) Völker, Lutz; Casey, Michael (Prof., D. Phil)Die heutige Zielsetzung der Auslegung moderner Dampfkraftwerke ist eine weitere Anhebung der Effizienz. Um dies zu erreichen, bietet der Niederdruckteil mit seiner Endstufe und dem nachgeschalteten Diffusor das größte Potential, nicht zuletzt infol-ge der mehrflutigen Bauweise. Ziel ist es daher, die Auslassverluste möglichst zu minimieren, um den Wirkungsgrad zu steigern. Unter Berücksichtigung des festen Enthalpiegefälles über die Stufen lassen sich Steigerungen im Wirkungsgrad nur noch durch Anhebungen des Massenstroms erreichen. Da die Drehzahl an die jewei-lige Netzfrequenz gekoppelt ist und folglich feststeht, erfordert eine Anhebung des Massenstroms eine größere Abströmfläche, die typischerweise mit einem größeren Rotordurchmesser und einem Längenzuwachs der Beschaufelung verbunden ist. Der Längenzuwachs in der Beschaufelung lässt sich jedoch mit Stahlschaufeln infolge der ernormen Fußbelastungen nicht mehr realisieren und erfordert somit einen Mate-rialwechsel von Stahl auf Titan. Damit verbunden ist jedoch ein Umdenken im Schau-feldesign, da Titan infolge der geringeren Dichte den Einsatz von Deckband und Snubber notwendig macht, um die dynamischen Beanspruchungen zu minimieren. Im Rahmen der Entwicklung einer neuen ND-Entstufe erfolgen intensive Untersu-chungen an den Modellen dreier verschiedener Turbinenkonfigurationen im Ver-suchstand des Instituts für Thermische Strömungsmaschinen und Maschinenlabora-torium (ITSM) der Universität Stuttgart. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Turbinen konzentrierten sich dabei einerseits auf die Ausführung der Endstufenbe-schaufelung und hierbei im Speziellen auf die Leitschaufelgeometrie, wobei die Ab-strömfläche gleich geblieben ist und andererseits auf die Abströmfläche, die vergrö-ßert wurde. Neben ausgedehnten Strömungsfeldmessungen mit pneumatischen Strömungssonden im Bereich der gesamten Endstufe und des anschließenden Diffu-sors für drei Betriebspunkte erfolgte ebenso die Bestimmung des Wirkungsgrades über dem gesamten Lastbereich, um die Veränderungen im Design zu quantifizieren. Basierend auf den Messungen wurden die einzelnen Turbinenkonfigurationen mit einem 3D-Strömungslöser und einem 2D-Throughflow-Code mehrstufig nachgerech-net. Letzter erlaubt zudem die Berücksichtigung von Schaufelneigungen und bietet die Möglichkeit mit Nassdampf zu rechnen. Die ermittelten Ergebnisse liefern umfangreiche Einblicke in das sich ausbildende komplexe dreidimensionale Strömungsfeld im Bereich der Endstufe in Abhängigkeit vom Schaufeldesign sowie für unterschiedliche Betriebspunkte. Im weiteren stellen die Messungen eine umfangreiche Datenbasis zur Entwicklung, Verbesserung und Validierung von numerischen Verfahren dar, die das Ziel haben, die komplexen drei-dimensionalen Strömungsverhältnisse im Bereich einer Endstufe und letztlich die komplette Durchströmung mehrstufiger Turbinen mit nachgeschaltetem Diffusor zu berechnen.Item Open Access Sensitivitätsanalyse zur dreidimensionalen numerischen Optimierung von Turbomaschinen(2006) Kämmerer, Steffen; Casey, Michael (Prof. Dr. Phil.)Zur Steigerung der Effektivität der Energieumwandlung von thermischen Turbomaschinen gewinnen moderne, rechnergestützte Optimierungsmethoden in zunehmendem Maße an Bedeutung. Heutige Optimierungsverfahren können, in unterschiedlichster Ausprägung, von der Vorauslegung bis hin zur endgültigen Designfestlegung, in den gesamten Entwicklungsprozess integriert werden. Rechnergestützte, automatisierte Optimierungsmethoden bieten hierbei die Möglichkeit,anspruchsvolle Designaufgaben mit einer Vielzahl von Parametern und Nebenbedingungen systematisch zu bewältigen. Automatisierte Optimierungsverfahren sind somit ein Werkzeug für die zielgerichtete Neuentwicklung und auch die Verbesserung bzw. Weiterentwicklung bestehender Designs. Insbesondere die aerodynamische Auslegung von Turbomaschinen bietet aufgrund der Komplexität der Strömungsvorgänge und der Vielzahl von Designparametern ein breites Einsatz und Anwendungsgebiet für Optimierungsstrategien. In dieser Arbeit wird eine automatisierte Methode zur aerodynamischen Optimierung dreidimensionaler Schaufelgeometrien in Turbomaschinen entwickelt. Die hierzu eingesetzte Optimierungsstrategie verwendet numerische Berechnungen der Navier-Stokes-Gleichungen und ein Gradientenverfahren basierend auf einer Sensitivitätsanalyse. Die Ausgangsbasis der Methode bildet ein Strömungsberechnungsprogramm, welches speziell für die Anwendung in axialen Turbomaschinen entwickelt wurde, und das stationäre und instationäre Simulationen von Strömungen in mehrstufigen Turbomaschinen erlaubt. Die Ermittlung der Sensitivität von Optimierungsparametern erfolgt mit einem Verfahren zur numerischen Berechnung der kontinuierlichen Sensitivität der Navier-Stokes-Gleichungen nach der direkten Methode. Das Verfahren zur Sensititivitätsberechnung wird in die bestehende Infrastruktur des Strömungsberechnungsprogrammes implementiert. Somit steht ein Werkzeug zur Verfügung, das sowohl zur Berechnung dreidimensionaler Strömungsfelder als auch zur Bestimmung der zugehörigen Sensitivitätsinformation geeignet ist. Zu diesem Zweck werden die Bestandteile des bestehenden numerischen Verfahrens zur Berechnung der Sensitivität der Navier-Stokes-Gleichungen weiterentwickelt. Weitere Bestandteile der Optimierungsstrategie sind der Optimierungsalgorithmus nach der Methode der sequentiellen quadratischen Approximation und die vollständige Parametrisierung der dreidimensionalen Schaufelgeometrie. Die numerisch berechnete Sensitivitätsinformation wird anhand zweidimensionaler Testfälle und dreidimensionaler Beispiele validiert. Des Weiteren werden Anwendungsmöglichkeiten der Sensitivitätsinformation zur Generierung benachbarter Strömungsfelder durch lineare Approximation aufgezeigt. Das entwickelte Verfahren wird zur Optimierung verschiedener Schaufelreihen und Stufenkonfigurationen axialer Turbomaschinen eingesetzt. Um die Eignung des Verfahrens zu dokumentieren, werden die Resultate analysiert und diskutiert.Item Open Access Optimierung eines Axial-Radial-ND-Abströmgehäuses hinsichtlich des Wirkungsgrades sowie der Stoßoszillation(2002) Kraus, Peter; Göde, Eberhard (Prof. Dr.-Ing.)An einem Abströmgehäusemodell einer ND-Turbine wurden im ersten Schritt zunächst mittels Fadensonden Strömungsprofile für verschiedene Gehäuseebenen bei konstant gehaltenen Zuströmbedingungen aufgenommen. Die somit lokalisierten großen Totwasser- und Wirbelgebiete wurden dann systematisch untersucht und reduziert. Der Einsatz von Leitblechen im oberen Abströmgehäusebereich bewirkte eine relative Wirkungsgraderhöhung um etwa 20 %. Im zweiten Schritt der experimentellen Untersuchungen wurde das Augenmerk auf die Diffusoraußenschalen und deren Abströmqualität gerichtet. Dazu wurden mittels pneumatischer Sondenmeßtechnik bei konstanter Zuströmung weitere Strömungsprofile direkt im Diffusoraustritt an mehreren Umfangspositionen und in der Kondensatorzulaufstrecke aufgenommen. Aufgrund der hierbei erzielten Ergebnisse, die eine nicht symmetrische Strömungsverteilung am Diffusoraustritt aufwiesen, wurde eine der komplizierten Strömungscharakteristik angepaßte Diffusoraußenschale konzipiert. Das Abströmverhalten dieser Schale wurde in weiteren Meßreihen untersucht und hinsichtlich des Diffusorwirkungsgrades optimiert. Zur Ergänzung wurde zusätzlich der Einfluß verschiedener Leitbleche auf den Wirkungsgrad untersucht. Anschließend wurde das Phänomen der Stoß-Grenzschicht-Interaktionen untersucht. Dazu wurden zuerst im Flachwassermodell Parameterstudien durchgeführt, die einen ersten Ansatz zur Reduktion der Stoßpulsation geliefert haben. Diese Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung hat ihren Ursprung in dem sprunghaft ansteigenden statischen Druck an der Außenschale, direkt hinter dem durch die Jet-/Spaltströmung bedingten Stoß, der bei größeren Volumenströmen die Instabilität der Ablöseblase in der Grenzschicht verursacht. Diese Strömungsinstabilitäten treten unter anderem bei überkritischer Anströmung von Triebwerken und bei der transsonischen Tragflügelumströmung auf. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Flachwasserparameterstudie wurden Folgeuntersuchungen am Axial-Radial-Abströmgehäusemodell durchgeführt. Hier wurden die selbsterregten Schwingungen sukzessive durch passive Maßnahmen (bauliche Veränderungen) oder durch aktive Maßnahmen wie z.B. Grenzschichtabsaugung beeinflußt. Durch umfangreiche Messungen mit instationär messenden Druckmeßumformern konnten die Stoßpulsationen am Diffusor analysiert werden. Die Messungen zeigen, daß das Strömungsphänomen der Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung keiner Gleichmäßigkeit bezüglich der rotationssymmetrischen Diffusoraußenschalen unterliegt. Die Frequenz der Stoßpulsationen umfaßt den Bereich zwischen 350 und 450 Hz und nimmt mit steigendem Volumenstrom zu. Die Oszillation tritt am stärksten im unteren, dem Kondensator zugewendeten Bereich auf und nimmt fortlaufend den gesamten Austrittsquerschnitt ein. Die Folge ist, daß die instationären Vorgänge die gesamte Diffusorströmung nachhaltig beeinflussen. Es kommt zu instationären großflächigen Sperreffekten, die eine enorme Verringerung des effektiven Strömungsquerschnittes und somit eine deutliche Wirkungsgradminderung bedeuten. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß diese negativen Folgen der Pulsationen sowohl durch die passiven wie auch durch die aktiven Maßnahmen positiv beeinflußt werden können. Beim Vergleich dieser Methoden wurde feststellt, daß die Prallängenveränderung durch eine axiale Versetzung der Innenschale (passive Maßnahme) den Beginn der Stoßoszillationen zu höheren Volumenströmen verlagern konnte und somit nur für eine bedingte Betriebssicherheit sorgen kann. Demgegenüber wurde das Diffusorbrummen durch die Anfachung der Grenzschicht im hinteren Totwasserbereich gänzlich unterdrückt. Mit einer numerischen Optimierung der Kontur der Diffusoraußenschale und des Öffnungsverhältnisses der Schlitze und Bohrungen sowie deren Plazierung wird es sicher möglich sein, eine pulsationsfreie Abströmung für den gesamten Endstufenbetriebsbereich zu erzielen. Hierdurch wird bei höheren Volumenströmen neben einer Reduzierung der Schaufelbelastung auch eine deutliche Wirkungsgradverbesserung gegenüber glatt ausgeführten und mit Knicken versehenen Diffusoraußenschalen erreicht, die keine Neigung zur "Brummtendenz" aufweisen, allerdings einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad besitzen.Item Open Access Experimentelle Untersuchungen zur Schaufeldämpfung an einem Axialgebläse(2009) Fischer, ChristianBei der Auslegung von Strömungsmaschinen spielt nicht nur das Strömungsfeld eine zentrale Rolle, sondern auch die mechanische Belastung insbesondere der Schaufeln. Dazu soll prinzipiell soll das Vorgehen zur Bestimmung der Dämpfung erarbeitet und an einem Axialgebläse am ITSM (Institut für Strömungsmaschinen und Maschinenlaboratorium) angewendet werden. Dazu musste zunächst der Prüfstand umgebaut werden, so dass Signale vom stehenden ins rotierende System übertragen werden können. Außerdem mussten die Messaufnehmer, Verstärkerschaltungen und der verwendete Piezo-Aktor angebracht werden. Zur Auswertung wurden kleine Skripte geschrieben, um aus den Messdaten die Dämpfung zu ermitteln. Für die Bestimmung der Dämpfungsparameter wurden drei Methoden verwendet. Die einfache und häufig verwendete Wurzel-2-Methode, eine Methode basierend auf der Short Time Fourier Transformation und eine Methode welche durch nichtlineare Regression die Dämpfungsparameter bestimmt. Durch Messungen im Betrieb bei unterschiedlichen Drehzahlen konnte gezeigt werden, dass bei der ersten Eigenform die Dämpfung mit der Drehzahl ansteigt. Bei den anderen betrachteten Frequenzen ist ein ähnliches Verhalten anzunehmen, der Einfluss ist jedoch sehr gering.Item Open Access Entwicklung und Erprobung einer betriebsbegleitenden Datenvalidierung für thermische Kreisprozesse(2002) Fuchs, Frank; Hein, K. R. G. (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode für thermodynamische Prozesse entwickelt, mit deren Hilfe betriebsbegleitend erfasste Messdaten aufbereitet, ein quasi-stationärer Zustandspunkt ermittelt und anschließend die Messdaten nach der Gauss’schen Ausgleichsrechnung in Beziehung zueinander gesetzt werden. Der Grundgedanke dieses Verfahrens ist es, nicht nur die für die Ermittlung der Ergebnisgrößen unbedingt erforderlichen Messgrößen zu verwenden, sondern darüber hinaus alle erreichbaren Messgrößen samt den dazugehörigen Varianzen und Kovarianzen zu erfassen und Nebenbedingungen zu bilden, die von den wahren Werten erfüllt sein müssten. Diese Nebenbedingungen sind z. B. Massenstrom-, Leistungs-, Energie- oder Stoffbilanzen. Die Messwerte werden diese Nebenbedingungen nicht exakt erfüllen, sondern zu Widersprüchen führen. Aus diesen Widersprüchen können sowohl eine globale Beurteilung der Qualität der Messung als auch gezielte Hinweise auf grobe Messfehler gewonnen werden. Dem Betreiber eines Kraftwerks ist es damit möglich, eine objektive Kenntnis des aktuellen Betriebszustandes der gesamten Anlage zu erhalten und die Kennwerte der einzelnen Kraftwerkskomponenten zu bestimmen, die eine Grundvoraussetzung einer thermodynamischen Zustandsdiagnose sind. Nicht gemessene und nicht messbare Zustandsgrößen werden dabei von Anfang an mit berücksichtigt, um zusätzliche Bilanzen aufstellen und deren wahrscheinlichste Werte ermitteln zu können. Erste Untersuchungen dieser sogenannten Datenvalidierung am Beispiel eines einfachen Kraftwerksprozesses ermöglichten eine Analyse des erforderlichen Messsystems und der potenziellen Verbesserung der Aussagefähigkeit der Messwerte für zusätzliche Messstellen. Der modellierte Kraftwerksprozess bot des Weiteren die idealen Voraussetzungen einer wirtschaftlichen Betrachtung der Datenvalidierung, da die wahren Werte in Form der simulierten Ergebnisse vorlagen. Es konnte gezeigt werden, dass unabhängig von den normalverteilten Startwerten dieses Kraftwerksprozesses die Datenvalidierung immer Ergebnisgrößen ermittelte, die näher an den simulierten Werten lagen als die gemessenen. In einem weiteren Schritt wurde die Datenvalidierung an einem Kohlekraftwerk anhand dreier verschiedener Lastfälle aus den Abnahmemessungen durchgeführt und erprobt. Mit Hilfe der Wärmeschaltbilder der Gesamtanlage wurden Bilanzgleichungen aufgestellt, die von den sogenannten wahren Werten erfüllt sein müssten. Selbst für die mit äußerster Sorgfalt durchgeführten Abnahmemessungen konnten mehrere unstimmige Messwerte zuverlässig ermittelt und zugeordnet werden. Auch die Konfidenzintervalle konnten zum Teil auf bis zu 40% des Ausgangswertes reduziert und die Ermittlung nicht gemessener Zustandsgrößen konnte automatisiert problemlos durchgeführt werden. Detaillierte Untersuchungen der Nassdampfenthalpie am Eintritt in den Kondensator mit Hilfe der Datenvalidierung ermöglichten eine genaue Bestimmung dieser Prozessgröße, so dass eine exakte Kenntnis der Entspannung in der Niederdruckturbine erlangt werden konnte. Damit wurde eine effektive Methode entwickelt, den inneren Wirkungsgrad eine Niederdruckturbine zu bestimmen, um so die Leistungserzeugung innerhalb der Turbine besser zuordnen zu können. Nicht zuletzt ist die genaue Kenntnis des inneren Wirkungsgrades einer Stufengruppe die Basis einer thermodynamischen Zustandsdiagnose. Abschließend wurde als globale wirtschaftliche Kenngröße einer Kraftwerksanlage der spezifische Wärmeverbrauch bestimmt. Auch bei dieser Untersuchung konnten Unstimmigkeiten der Messwerte zueinander nachgewiesen werden. Der rechnerische und validierte Wärmeverbrauchswert wurden gegenübergestellt und bewertet und somit auch für den Betreiber einer Kraftwerksanlage der quantitative Nutzen der Datenvalidierung berechenbar gemacht.Item Open Access Berechnung der Stator-Rotor-Wechselwirkung in Turbomaschinen(2000) Jung, Alexander; Stetter, Heinz (Prof. Dr.-Ing.)Die Strömung in thermischen Turbomaschinen ist aufgrund der wechselnden Folge von ruhenden und rotierenden Schaufelreihen inhärent instationär. Zusammen mit den Einflüssen der festen Wände und den sich einstellenden physikalischen Ausgleichsprozessen ergeben sich äußerst komplexe, dreidimensionale Strömungsfelder. Moderne numerische Verfahren ermöglichen die zeitgenaue Berechnung dieser Strömungsvorgänge. Damit lassen sich instationäre Effekte bei der aerodynamischen Auslegung so berücksichtigen, daß die Effektivität der Energieumwandlung in den Turbomaschinen gesteigert wird. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Lösung der dreidimensionalen Navier-Stokes-Gleichungen erweitert, um damit die instationären Stator-Rotor-Wechselwirkungen in Turbomaschinen zu berechnen. Dazu wird ein Verfahren zur zeitgenauen Kopplung der Strömungsfelder relativ zueinander bewegter Rechengebietsbereiche entwickelt. Mit Hilfe einer geeigneten Zeittransformation werden periodische Randbedingungen ermöglicht. Hierdurch läßt sich das wirkliche Schaufelzahlverhältnis einer Turbomaschinenstufe ohne eine periodische Erweiterung des Rechengebiets berücksichtigen. Es werden verschiedene Methoden entwickelt, die die langen Rechenzeiten zeitgenauer, expliziter Integrationsverfahren drastisch reduzieren und effiziente instationäre Simulationen ermöglichen. Das entwickelte Verfahren wird zur Strömungssimulation in einer eineinhalbstufigen Axialturbine eingesetzt. Die berechneten Strömungsfelder werden analysiert. Identifizierte Strömungsphänomene werden visualisiert und dokumentiert. Die Eignung des entwickelten Verfahrens zur Lösung der gestellten Aufgabe wird durch einen Vergleich der Berechnungsergebnisse mit experimentell ermittelten Daten belegt.