Pfeffer, Daniel (2020)
Druckluftbetriebene Kleinturbinen für Mobile Anwendungen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00009644
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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