ANATOMIE EINES TURBOLADERS

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1 Praktikumsanleitung ANATOMIE EINES TURBOLADERS Wintersemester

2 1 Einleitung Diese Anleitung beschreibt das Turboladerpraktikum für die Studenten des 5. Semesters, durchgeführt am Laboratory for Energy Conversion des Instituts für Energietechnik (IET-LEC). Die Berechnung der Aufgaben wird in 2er Gruppen durchgeführt, wobei an jeder Ü bung maximal drei Gruppen teilnehmen. Die Berichte sollen innerhalb einer Woche nach der Durchführung der Ü bung zur Korrektur in ML J 32 eingereicht werden. Die Gruppen treffen sich um 13:15 am jeweiligen Datum an der Flugturbine am Eingang Tannenbar, siehe Karte nächste Seite. Ziel des Praktikums: Am anschaulichen Beispiel eines PKW-Abgasturboladers soll das physikalische Prinzip der Turbomaschine betrachtet werden. Die einzelnen Komponenten des Turboladers werden analysiert. Mechanische, thermodynamische und aerodynamische Zusammenhange sollen mit dem Wissen aus den Grundlagenfachern abgeschatzt werden. Das Praktikum ist in die folgenden Abschnitte unterteilt: 1. Demontage und Montage eines Turboladers. Leitung: Sarah Barber ML J Theorie zur Aerodynamik und Thermodynamik eines Radialverdichters. Leitung: Andrea Giovannini ML J 41.2 / Gülru Kocer ML J Stromungsvisualisierung im Radialverdichter anhand einer Simulation. Leitung: Samira Jafari ML J 31 2

3 Abbildung 1: Lageplan Treffpunkt 3

4 2 Mechanik und Konstruktion Die hohen Drehzahlen des Turboladers bewirken hohe Spannungen in den Spitzen der Turbinen- und Verdichterrader. Obschon die Raddurchmesser klein sind, konnen sehr hohe Spannungen bis 600 N/mm 2 erreicht werden. Diese Spannungen konnen zu einem Radversagen führen. Die folgenden Aufgaben sind als Einführung in die Problematik des mechanischen Verhaltens einer Turbomaschine gedacht. Im Wesentlichen wird man bei drehenden Wellen, wie hier die Verbindungswelle zwischen dem Verdichter und der Turbine, immer auf folgende Problemkreise stoßen: Festigkeit des Rotors (hohe Drehzahlen) Temperaturgradienten und Konstruktion (Gleitlager) Hohe Drehzahlen (Rotordynamik) 2.1 Konstruktion und Wärmebelastung eines Turboladers Die hohen Temperaturunterschiede infolge der heissen Abgase in der Turbine und der durch den Verdichter angesaugten kühlen Umgebungsluft führen zu gewaltigen Warmespannungen im Turbolader. Dieser Sachverhalt zwingt den Konstrukteur die einzelnen Komponenten entsprechend ihrer thermisch bedingten Deformation im Betriebspunkt geschickt auszulegen, d.h. die Warmespannungen dürfen den Turbolader nicht in seiner Funktion beeintrachtigen. Bespiele für solche Ü berlegungen sind die Anordnung der Gehauseteile, Lagerung des Rotors, Verschraubung der Baugruppen, usw. Folgende Probleme sollen in diesem Zusammenhang bearbeitet werden: 1. Zeichne die Temperaturverteilung (heiss/kalt) qualitativ in ein Schema ein. Diskutiere die Warmespannungen und Ausdehnungen und deren Auswirkung auf die Konstruktion. Insbesondere: Rotor Gleitlager Verdichter/Turbine Gehause des Turboladers 2. Weshalb werden die Gehauseteile mit Klauen am Kernteil des TL befestigt? 3. Wieso liegt das Axiallager am kalten Ende des Rotors? Wichtige Großen: Ausdehnungskoeffizient Stahl: /K Ausdehnungskoeffizient Aluminium: /K 4

5 2.2 Festigkeit des Verdichters und der Turbine Die hohen Drehzahlen der Welle eines Turboladers hangen im Wesentlichen von den thermodynamischen Eckdaten am Austritt eines Motors ab. Dabei werden Drehzahlen von bis zu U/min erreicht. Die daraus resultierenden Spannungen an den kritischen Stellen sollen abgeschatzt werden. Wo liegen die hochbelasteten Stellen eines Turboladers? Ordne diese nach den Ursachen (thermisch, kinematisch, aerodynamisch) ein. 5

6 3 Aerodynamik und Thermodynamik Das Ziel dieser Aufgabe ist, die thermodynamischen und aerodynamischen Verhaltnisse eines Turboladers zu verstehen. In Bild 3 ist die Geometrie der Radialverdichterstufe dargestellt. In den folgenden Aufgaben sollen aerodynamische und thermodynamische Grossen eines reprasentativen Turboladers berechnet werden. Dazu sollen die Tabellen um die unbekannten Grosen vervollstandigt werden. Zur weiteren Berechnung sollen die folgenden Werte benutzt werden. ṁ [kg/s] R [J/kgK] C p [J/kgK] γ Drehzahl n [1/min] Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau eines Turboladers Abbildung 3: Meridionaler Schnitt eines Radialverdichters. 6

7 3.1 Aerodynamische Nachrechnung 1. Zeichne das Geschwindigkeitsdreieck am Eintritt (Station 1) und am Austritt (Station 2) des Verdichterrades für den Mittelschnitt am Radius r Folgende Großen sollen am Austritt des Verdichters berechnet werden: statischer Druck p 2 und die statische Temperatur T 2 Geschwindigkeiten U 2, W 2, C 2, C u2 und der Winkel α 2 Die zur Berechnung notwendigen geometrischen Großen sollten beim Zerlegen des Turboladers gemessen und in die folgende Tabelle eingetragen werden. β 1Rad β 2Rad Schaufelzahl r 1S [mm] r 1N [mm] r 2 [mm] b 2 [mm] T 1 [K] p 1 [bar] v 1 [m 3 /kg] U 1 [m/s] W 1 [m/s] C 1 [m/s] α 1 [ ] β 1 [ ] C u1 [m/s] T 2 [K] p 2 [bar] v 2 [m 3 /kg] U 2 [m/s] W 2 [m/s] C 2 [m/s] α 2 [ ] β 2 [ ] C u2id [m/s] Leistungsberechnung 1. Wie groß ist die erforderliche Enthalpiedifferenz h 0 C um den berechneten Druckanstieg zu realisieren? Berücksichtigt werden soll dabei der Schlupf der durch den Faktor µ ausgedrückt wird. Berechne ebenso die Totaltemperatur T 2 und den Totaldruck p 2 unter Zuhilfenahme der Turbinengleichung sowie der Isentropenbeziehung. µ C u2 [m/s] h 0 C [J/kg] T 1 0 [K] p1 0 T 2 0 [K] p2 0 [bar] Skizziere qualitativ den Turboladerkreisprozess in ein h-s-diagramm. Dabei sollen die folgenden Großen für den Verdichter erkennbar sein: T 0 1, T 1, p 0 1 und p 1. Für die Turbine sollen lediglich die statischen Großen berücksichtigt werden. 7

8 ṁ oil [kg/s] T oilein [K] T oilaus [K] C p oil [J/kgK] P diss [W] Berechne die erforderliche Antriebsleistung P V unter Berücksichtigung, dass der Verdichter einen Wirkungsgrad von η C = 0.97 hat. 4. Wie groß ist die dissipierte Leistung P diss aufgrund der Gleitlager? 5. Berechne die Leistung der Turbine P T mit einem Wirkungsgrad von η T = Wie groß ist das damit verbundene Enthalpiegefalle h 0 T über der Turbine? η mv η mt P V [W] P T [W] In der Realitat ist die Austrittstemperatur und damit das Enthalpiegefalle über der Turbine grosser als in dieser Rechnung angenommen. Wie konnte die Turbine geregelt werden um ein Hochdrehen des Turboladers zu vermeiden? 3.3 Verdichterverhalten 1. Bild 4 zeigt das Kennfeld eines Radialverdichters. Es beschreibt das Verdichterverhalten anhand der folgenden Parameter: Totaldruckverhaltnis p 0 2 /p 0 1, Massenstrom, Drehzahl und isentroper Wirkungsgrad. Lese aus dem Kennfeld die Werte dieser Parameter für die Punkte A, B und C ab. 2. Erklare qualitativ folgendes Verdichterverhaten: Angenommen die Drehzahl bleibt konstant und der Massenstrom verringert sich. Das führt laut dem Kennfeld zu einem erhohten Druckaufbau über den Verdichter. Erklare warum das Druckverhaltnis ansteigt anhand von Geschwindigkeitsdreiecken und der Eulerschen Turbinengleichung. 3.4 Formeln Isentropenbeziehung pv γ = constant (1) Eulerarbeit für Verdichter h 0 = C u2 U 2 C u1 U 1 (2) C Schlupf C u2 = µc u2id (3) 8

9 Verdichtungsverh ltnis p 0 /p Massenstrom [kg/s] Abbildung 4: Verdichterkennfeld 9