Experimentelle Verifikation eines Simulationssystems für eine GASSCREW
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Date
2002-11-05
Authors
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Publisher
Universität Dortmund
Abstract
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.
In the mid 80s at the University of Dortmund the development of a new drive concept started, that, in competition to a gas turbine, should give the possibility to convert low to medium mass flow on a high temperature level into usable shaft work economically. The idea was to replace the compressor by a screwtype compressor and the turbine by a screwtype motor. The resulting principle, a hotgas screwtype engine, was given the name GASSCREW, just to keep the thermodynamic equivalency to a gas turbine in mind. This paper, after the first GASSCREW was put into operation, describes the examination of the screwtype motor and its simulation based construction as well as the results obtained during operation on a temperature level up to 600°C. The verification of the generated simulation system delivers a contribution for an evaluation of its model quality and for further development. Based on the verificated simulation system, prediction of operating behaviour on higher temperature levels will be possible as well as an advancement to higher efficiencies and a more compact design with next generations of the GASSCREW. The construction of the GASSCREW contains in addition to the prediction of operating behaviour the calculation of the thermal and mechanical part behaviour and the tolerances that must be specified for the GASSCREWmotor with consideration of the rotor coating and the resulting clearances. The main focus of the experimental examinations is the steady operation of the thermally high loaded GASSCREWmotor. The treatment of the whole GASSCREW system is not aimed and shall be reserved for future studies. The experiments include recording of thermodynamic data, indication of the GASSCREWmotor, thermographic measuring of casing temperatures and the telemetric recordation of rotor temperatures depending on male rotor speed, motor inlet pressure and motor inlet temperature. Finally, a variation of cooling parameters shows, that a specific cooling method for the motor parts operated on such high temperatures is materialconditioned possible and essential, but to intensive cooling has negative effects on the energy budget of the GASSCREWmotor.
In the mid 80s at the University of Dortmund the development of a new drive concept started, that, in competition to a gas turbine, should give the possibility to convert low to medium mass flow on a high temperature level into usable shaft work economically. The idea was to replace the compressor by a screwtype compressor and the turbine by a screwtype motor. The resulting principle, a hotgas screwtype engine, was given the name GASSCREW, just to keep the thermodynamic equivalency to a gas turbine in mind. This paper, after the first GASSCREW was put into operation, describes the examination of the screwtype motor and its simulation based construction as well as the results obtained during operation on a temperature level up to 600°C. The verification of the generated simulation system delivers a contribution for an evaluation of its model quality and for further development. Based on the verificated simulation system, prediction of operating behaviour on higher temperature levels will be possible as well as an advancement to higher efficiencies and a more compact design with next generations of the GASSCREW. The construction of the GASSCREW contains in addition to the prediction of operating behaviour the calculation of the thermal and mechanical part behaviour and the tolerances that must be specified for the GASSCREWmotor with consideration of the rotor coating and the resulting clearances. The main focus of the experimental examinations is the steady operation of the thermally high loaded GASSCREWmotor. The treatment of the whole GASSCREW system is not aimed and shall be reserved for future studies. The experiments include recording of thermodynamic data, indication of the GASSCREWmotor, thermographic measuring of casing temperatures and the telemetric recordation of rotor temperatures depending on male rotor speed, motor inlet pressure and motor inlet temperature. Finally, a variation of cooling parameters shows, that a specific cooling method for the motor parts operated on such high temperatures is materialconditioned possible and essential, but to intensive cooling has negative effects on the energy budget of the GASSCREWmotor.
Description
Table of contents
Keywords
Schraubenmaschine, Gasturbine, Schraubenmotor, Schraubenverdichter, Versuchsanlage, Simulation, Heißgasschraubenmaschine, Finite-Elemente, Temperaturmessung