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Dr.-Ing. Martin Bruschewski

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RoboFlex

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AG Turbo Verbundvorhaben 2019: Robuste Turbomaschinen für den flexiblen Einsatz (RoboFlex)

Visualisierung von Strömungen und Fluidtemperaturgradienten von Turbomaschinenkomponenten mittels Magnetresonanztomographie

In diesen Vorhaben wird gemeinsam mit dem Industriepartner MAN Energy Solutions SE untersucht, wie die aus der Medizin bekannte Magnetresoanztomographie (MRT) im Auslegungsprozess von Turbomaschinen eingesetzt werden kann.

Motivation

In der Auslegung der Turbomaschinen für konventionelle Kraftwerke stand bisher die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems für einen recht konstanten Betrieb im Vordergrund. Im Zuge der Energiewende ist eine höhere Betriebsflexibilität der Turbomaschinen gefordert, um Lastschwankungen auszugleichen und Versorgungslücken abdecken zu können. Immer öfter wird die Turbomaschine abseits ihres optimalen Betriebspunkt betrieben werden müssen. Um eine ausreichend lange Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit der Maschinen bei stark fluktuierendem Betrieb gewährleisten zu können, bedarf es hinreichender Kenntnis der physikalischen Vorgänge der Strömungsvorgänge in den einzelnen Bauteilen und deren Abhängigkeiten vom Betriebszustand. Die üblicherweise genutzten numerischen Verfahren zur Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) können viele dieser Phänomene nicht ausreichend genau vorhersagen und müssen deshalb zusätzlich durch experimentelle Daten gestützt werden.

Klassische experimentelle Verfahren zur Bestimmung der Strömungszustände wie PIV (Particle-Image-Velocimetry) oder LDA (Laser-Doppler-Anemometrie) sind jedoch mit einem erheblichen finanziellen und zeitlichen Aufwand verbunden. Deshalb werden diese erst möglichst spät im Entwurfsprozess eingesetzt. Die Vorhersagegenauigkeit von numerischen Entwürfen wird jedoch deutlich verbessert, wenn Experimente schon frühzeitig in den Prozess eingebunden werden. Die MRT-Messtechnik kann hier in vielen Fällen als Schlüsseltechnologie auftreten und damit maßgeblich zu einem effizienteren Entwicklungsprozess beitragen.

Ziele

Im Zuge dieses Projektes soll ein Prüfstand und eine Prozesskette konzipiert und in Betrieb genommen werden, die einen effizienten Messzyklus und eine hochgradig automatisierte Auswertung der Messdaten ermöglichen. Beginnend mit der Übernahme der digitalen Bauteilgeometrie vom Industriepartner und endend mit der Übergabe der ausgewerteten 3D Strömungsdaten, werden Verfahren zur Erstellung und Fertigung des Strömungsmodels, die MRT-Messroutine und die Datenauswertung spezifiziert. Ziel ist es, den gesamten Prozess innerhalb einer Arbeitswoche durchführen zu können.

Arbeitsplan

Zunächst wird die Prozesskette definiert und Grenzen und Annahmen des Verfahrens spezifiziert. Dazu gehören die Modellbildung und die Modellfertigung zum einen, aber auch die möglichen MRT-Messroutinen, die eingesetzt werden können, sowie die anschließende Datenauswertung.

Des Weiteren sind für die Bereitstellung einer modularen Prüfinfrastruktur Modifikationen am MRT-Scanner sowie der Strömungsversorgung vorzunehmen. Dabei sollen unter anderem speziell für Strömungsmessungen konzipierte MRT-Komponenten in Betrieb genommen werden, um einen möglichst produktiven Messzyklus zu ermöglichen.

Ein aussagekräftiger, quantitativer Vergleich der so gemessenen MRT-Daten mit den vom Industriepartner bereitgestellten CFD ist jedoch nur möglich, wenn beide Datensätze so ausgereichtet und interpoliert werden, dass die Daten auf einem identischen Gittern liegen. Ein weiterer Arbeitspunkt ist deshalb die Bereitstellung einer Auswerteroutine, die es ermöglichen soll mit einem hohen Automatisierungsgrad die dreidimensionalen MRT-Daten mit den dreidimensionalen CFD-Daten vergleichen zu können (Data Matching).

Die entwickelte Prozesskette wird zunächst an vereinfachten Geometrien getestet und so optimiert, dass die kurzmöglichste Bearbeitungszeit bei gleichzeitig qualitativ hochwertigen Ergebnissen erreicht wird. Sobald der Prozess validiert ist, werden reale Komponenten des Kühlsystems und der Brennkammer aus der aktuellen Entwicklung des Industriepartners untersucht und mit den zugehörigen CFD-Daten verglichen.

Informationen zum Forschungsprojekt

Antragsteller / Bearbeiter S. Grundmann, M. Bruschewski
Laufzeit 2019 - 2023
Finanzierung MAN Energy Solutions SE
Bundesministerium für Wirtschaft und Entwicklung (BMWi)
Industriepartner MAN Energy Solutions SE