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Druckluftbetriebene Kleinturbinen für Mobile Anwendungen

Pfeffer, Daniel (2020):
Druckluftbetriebene Kleinturbinen für Mobile Anwendungen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009644,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Druckluftbetriebene Kleinturbinen für Mobile Anwendungen
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Realisierung eines tragbaren Turbinen-Generator-Systems zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Strömung von Druckluft. Anhand des Anwendungsszenarios von Pressluft-Atemsystemen wird eine Strömungsmaschine mit angeschlossenem Generator entworfen, aufgebaut und charakterisiert.

In Situationen, in denen mobile Pressluft-Atemsysteme zum Einsatz kommen, wird in der Regel ein Druckbehälter mit Atemgas mitgeführt. Durch den hohen Druck von bis zu 300 bar enthält der Druckbehälter eine erhebliche Energiemenge. Da die Anwender solcher mobiler Pressluft-Atemsysteme - wie (Berufs-)Taucher und Feuerwehrleute - zunehmend elektrisch betriebene Geräte wie Lampen, Funksysteme und Sensoren mitführen, müssen aktuell Batterien für die Versorgung der Geräte eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Umwandlung eines Teils der im komprimierten Atemgas enthaltenen Energie in elektrische Energie. Mittels einer Turbine, die an einen elektrischen Generator angeschlossen ist, wird zwischen Druckbehälter und Mundstück des Anwenders elektrische Energie aus der Strömung des komprimierten Gases gewonnen.

Mit dem Scheibenläufer-Turbinenprinzip schlug Nikola Tesla im Jahr 1913 eine Bauform für Strömungsmaschinen vor, die bis heute Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen ist. Das auf der Grenzflächenreibung zwischen parallelen Flächen beruhende Prinzip ist im Vergleich mit schaufelbasierten Turbinen weniger aufwändig in der Herstellung und verspricht eine höhere Laufruhe im Betrieb. In dieser Arbeit wird auf Grundlage dieses Turbinenprinzips eine Strömungsmaschine mit dem Ziel des Einsatzes in mobilen Pressluft-Atemsystemen entworfen und aufgebaut. Die Strömungsmaschine liegt in einem quaderförmigen Gehäuse mit den Kantenlängen 50 mm x 50 mm x 37,3 mm (BxHxT). Der Durchmesser des Rotors beträgt 20 mm. Seitlich ist ein handelsüblicher Brushless-DC-Motor als Generator angebracht. Alle Teile werden mit herkömmlichen Fertigungsverfahren wie CNC-Fräsen, Drehen und Feinätzen hergestellt. Zusätzlich werden als Alternative zu den scheibenbasierten Turbinenelementen drei verschiedene schaufelbasierte Turbinenelemente mithilfe des Fused Deposition Modeling 3D-Drucks (FDM) hergestellt und anschließend eingesetzt.

Eine besondere Herausforderung stellt die präzise Wuchtung des aus mehreren Einzelteilen bestehenden Rotors dar, da der Rotoraufbau zur Charakterisierung wechselnder Konstruktionsparameter wie Scheibenanzahl und -abstände variabel ist. Jedoch soll er Drehzahlen von bis zu 100.000 min-1 standhalten. Es werden in zwei Rotorebenen jeweils sechs manuell verschiebbare Massen eingebracht, welche die Kompensation einer dynamischen Unwucht ermöglichen. Das Thema Unwucht wird dafür zunächst allgemein aufgearbeitet, um anschließend die Unwuchtsituation der Konstruktion eingehend zu analysieren. Zur Auslegung der Auswuchtparameter wird eine neue Methodik zur Beurteilung und Dimensionierung der Kompensationseinrichtungen erarbeitet und schließlich auf das vorliegende Szenario angewandt. Es wird eine Auswuchtmaschine aufgebaut, mit dem die dynamische Unwucht des Rotors bis in den niedrigen einstelligen mg*mm-Bereich bestimmt werden kann, was experimentell verifiziert wird. In einem einfachen, manuellen iterativen Verfahren kann auf diese Weise eine Wuchtgüte von G2,5 nach ISO 21940-11 erreicht werden.

Im Zuge einer Modellbildung wird die Energiewandlungskette mit ihren einzelnen Wandlungsschritten und Verlustmechanismen für stationäre Betriebszustände beschrieben. Mittels der Modellgleichung kann eine Darstellung des Leistungskennfelds P(n, dm/dt) in Abhängigkeit zu den Betriebsparametern Drehzahl n und Massestrom dm/dt erzeugt werden. Ebenso werden qualitative Aussagen über die Einflüsse einzelner Modellparameter auf das Leistungskennfeld gemacht.

Während der Charakterisierung des Turbinen-Generator-Systems werden 15 Rotorkonfigurationen eigenhändig aufgebaut, ausgewuchtet und hinsichtlich ihrer Leistungsdaten bei der Energieumwandlung untersucht. Davon basieren neun Rotorkonfigurationen auf dem Scheibenläuferprinzip von Tesla und sind in Spaltanzahl, Spaltbreite variabel. Sechs Rotorkonfigurationen werden mit insgesamt drei verschiedenen 3D-gedruckten schaufelbasierten Turbinenelementen aufgebaut. Als weitere Variation wird die Breite der Einlassdüse variiert. Die Turbine wird dabei jeweils mit einem Massefluss von 0 bis 150 slpm (Standardliter pro Minute) beaufschlagt, was dem Bereich der menschlichen Atmung in verschiedenen Belastungssituationen entspricht.

Die Messungen zeigen, dass mit den Rotoren nach dem Scheibenläuferprinzip und dem übrigen Aufbau bis zu 23,28 W elektrische Leistung gewonnen werden können. Mittels der 3D-gedruckten Turbinenelemente wird eine gewonnene elektrische Leistung von bis zu 58,31 W gemessen. Die Drehzahl bei maximaler Luftströmung beträgt dabei zwischen 60.000 und 92.000 min-1. Der Vergleich zwischen den gemessenen Leistungskennfeldern und der zuvor angestellten Modellbildung wird exemplarisch durchgeführt und zeigt eine hohe qualitative Übereinstimmung.

Die Ergebnisse dieser Arbeit können als Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen an tragbaren Druckluft-Turbinensystemen genutzt werden. Die entwickelte Methodik zur Analyse und Auslegung von mechanischen Einheiten zur Unwuchtkorrektur ist für viele Wuchtaufgaben direkt anwendbar und kann für weitere Ausgleichsverfahren erweitert werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The presented dissertation focuses on the investigation and realization of a portable turbine generator system for the production of electrical energy from a flow of compressed air. Based on the application scenario of compressed air breathing systems, a turbomachine with a connected generator is designed, built and characterized. In situations where mobile compressed air breathing systems are used, a pressure vessel with breathing gas is usually carried. Due to the high pressure of up to 300 bar the pressure vessel contains a considerable amount of energy. As the users of such mobile compressed air breathing systems such as (professional) divers and fire fighters are increasingly carrying electrically operated devices such as lamps, radio systems and sensors, batteries must be used to supply the devices. This work deals with the conversion of part of the energy contained in compressed breathing gas into electrical energy. Using a turbine connected to an electrical generator, electrical energy is produced from the compressed gas flow between the pressure vessel and the user's mouthpiece. In 1913, Nikola Tesla proposed the disc rotor turbine principle, a design for turbomachines that is still a subject of scientific investigation today. The principle, based on the boundary layer friction between parallel surfaces, is less complex to manufacture than blade-based turbines and promises smoother operation. In this work, a turbomachine is designed and constructed on the basis of this turbine principle with the purpose of being used in mobile compressed air breathing systems. The turbomachine lies in a cuboid housing with the edge lengths 50 mm x 50 mm x 37,3 mm (WxHxD). The diameter of the rotor is 20 mm. A standard brushless DC motor is mounted on the side as a generator. All parts are manufactured using conventional manufacturing methods such as CNC milling, turning and fine-etching. In addition, as an alternative to the disk-based turbine elements, three different blade-based turbine elements are manufactured using Fused Deposition Modelling 3D printing (FDM) and then tested. A particular challenge is the precise balancing of the rotor, which consists of several individual parts, as the rotor structure is highly adjustable to characterize changing design parameters such as the number and spacing of disks. However, it should withstand speeds of up to 100,000 min-1 as a design constraint. Six manually positionable masses are introduced in each of two rotor planes, which enable the compensation of any expected dynamic imbalance. The topic of imbalance will therefore first be dealt with in general and then the imbalance situation of the construction will be analysed in detail. For the design of the balancing parameters, a new methodology for the assessment and dimensioning of the compensation mechanisms will be developed and finally applied to the present scenario. A balancing stand is set up with which the dynamic imbalance of the rotor can be determined down to the low single-digit mg*mm range, and is verified experimentally. In this way, a balancing quality of G2.5 according to ISO 21940-11 can be achieved in a simple, manual and iterative procedure. In a modelling approach, the energy conversion chain including its individual conversion steps and loss mechanisms is described in terms of stationary operating states. Using the resulting equation of the model, a representation of the power map P(n, dm/dt) is generated as a function of the operating parameters rotational speed n and mass flow dm/dt. Qualitative statements on the influence of individual model parameters on the power map are also made. While characterizing the turbine-generator system, 15 rotor configurations are individually assembled, balanced and examined with regard to their performance in energy conversion. Of these, nine rotor configurations are based on the Tesla disc rotor principle and are variable in gap number and gap width. Six rotor configurations are built with a total of three different 3D-printed blade-based turbine elements. As a further variation, the width of the inlet nozzle is varied. The turbine is supplied with a mass flow of 0 to 150 slpm (standard litre per minute), which corresponds to the range of human respiration in different physical conditions. Measurements show that the rotors can generate up to 23.28 W of electrical power using the disc rotor principle and the surrounding design. The 3D printed turbine elements provide an electrical power of up to 58.31 W. The speed at maximum air flow is between 60,000 and 92,000 min-1. The comparison between the measured power characteristic maps and the model is carried out with one of the prototypes and shows a good qualitative similarity. The findings of this work can be used as a starting point for further investigations of portable compressed air turbine systems. The developed methodology for the analysis and design of mechanical units for the correction of unbalance is readily applicable for many balancing tasks and can be extended for further correction methods.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 13 Jan 2020 09:10
Last Modified: 09 Jul 2020 02:58
DOI: 10.25534/tuprints-00009644
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-96444
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F. and Nienhaus, Prof. Dr. Matthias
Refereed: 11 November 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9644
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