Kennfelderweiterung einer supersonischen axialen Impulsturbine durch variable Teilbeaufschlagung

Abstract

Mit der fortschreitenden Optimierung moderner Verbrennungsmotoren in Straßenfahrzeugen gewinnen alternative Systeme zur Effizienzsteigerung an Bedeutung. Dabei verspricht die Abgaswärmenutzung mittels eines Organic Rankine Cycles (ORC) ein signifikantes Potential zur Treibstoffeinsparung. Der Wirkungsgrad des ORCs ist stark vom Wirkungsgrad der Expansionsmaschine abhängig. Die These dieser Arbeit lautet: Axiale Turbinen eignen sich für den Einsatz in ethanolbetriebenen ORCs geringer Leistung und weisen durch eine variable Teilbeaufschlagung ein verbessertes Teillastverhalten auf.

Eine thermodynamische Analyse bestätigt die Eignung von Ethanol als Kreislaufmedium für eine LKW-Anwendung. Es ergibt sich allerdings ein hohes Druckverhältnis von bis zu 49 bei geringen Massenströmen. Für einen effizienten Betrieb wurde eine Turbine entwickelt, die sich durch supersonische Schaufelkonturen und eine variable Teilbeaufschlagung zur Kennfelderweiterung auszeichnet. Die aerodynamische Bewertung der Turbine erfolgte mit CFD, die mit einem analytischen Ansatz zur Verlustberechnung durch Teilbeaufschlagung gekoppelt wurde. Mit diesem Ansatz wird eine Leistung der Turbine von 1,1 bis 18,5 kW bei einem Wirkungsgrad von bis zu 65,8% prognostiziert.

Für die experimentelle Untersuchung der Turbine wurde eine getriebelose Generatoreinheit gefertigt. Durch Fertigungsabweichungen im Hals der Lavaldüsen kommt es zu einer Kennfeldverschiebung der Turbine zu höheren Massenströmen und Leistungen. Im Rahmen der experimentellen Untersuchung wurden 40% des Turbinenkennfelds vermessen. Dabei erzielte die Turbine eine Leistung von 1,8 bis 7,6 kW. Auf Basis dieser Kennfelder wurde mit einer Kreisprozesssimulation ein Treibstoffeinsparpotential von bis zu 4,5% ermittelt und das Potential zur Prozessverbesserung durch variable Teilbeaufschlagung bestätigt.

Über einen breiten Kennfeldbereich zeigen die Turbinen einen charakteristischen Strömungszustand. Bei einem ausreichend hohen Turbinendruckverhältnis ist die Verteilung von Mach-Zahl und Druckverhältnis bezogen auf den Eintrittsdruck bis zum Rotoraustritt zwar drehzahlabhängig, aber unabhängig vom Eintritts- und Austrittsdruck. Eine Anpassung an den Turbinenaustrittsdruck erfolgt am Rotoraustritt durch eine supersonische Expansion, die bei Druckverhältnissen deutlich über dem Auslegungsdruck zu signifikanten Verlusten führt.