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Diplomarbeit Modernisierung eines Gasturbinenprüfstandes

1. 000 Abb 21 Modell f r die mit Luft gef llte Messleitung zur Berechnung der Temperatur am Druckaufnehmer Die Gleichung gilt grunds tzlich f r Festk rper Da die L nge der mit Luft gef llten Rohrleitung jedoch sehr gro ist bezogen auf den Querschnitt sind keine Ausgleichsstr mungen im Rohr zu erwarten Damit herrscht der Fall reiner W rmeleitung f r Luft innerhalb des Rohres Au erdem wird vereinfachend angenommen dass die Luftleitung zur Messstelle adiabat ist also dass keinerlei W rme an die Umgebung abgegeben wird Weiters wird die mit der Temperatur ver nderliche W rmeleitf higkeit direkt an der Messstelle vernachl ssigt da diese keinen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis hat Zuletzt werden noch konstante Temperaturen an beiden Enden der Messleitung angenommen was wegen des Ergebnisses der Berechnung sicherlich zutrifft Unter diesen Annahmen und f r die obigen Werte eingesetzt ergibt sich ein minimaler W rmestrom Q 5 3 10 W a8 Deswegen ist bei den vorhandenen Druckmessleitungen die Warme Entwicklung an den Drucksensoren zu vernachlassigen Demnach betragt die Temperatur dort Umgebungstemperatur Dies gilt auch fur die Ubrigen behandelten Sensoren da die Messleitungen alle gleich sind und die anderen Temperaturen niedriger sind Eine weitere Problematik bei der Differenzdruck Messung an der Brennkammer ist dass w hrend des station ren Betriebes in der Teillast
2. Ziel der Labor bung Das didaktische Ziel der bung ist es Studierende mit dem Betrieb und den Eigenschaften einer station ren Gasturbine vertraut zu machen und dabei das zuvor in anderen Lehrveranstaltungen theoretisch erlernte Wissen zu erg nzen Weiters sollen die Studierenden ein Verst ndnis f r die wichtigsten Methoden der Str mungsmesstechnik entwickeln und diese dann auch 24 selbst anwenden Die physikalischen Grundlagen der Messverfahren sowie deren praktische Umsetzung sollen dabei verstanden werden Eine weitere Aufgabe der Labor bung ist das Auswerten der ermittelten Messergebnisse Mit den entsprechenden Werten kann man im Anschluss an die Messung den thermodynamischen Kreisprozess berechnen und durch die Bestimmung eines thermischen Wirkungsgrades dessen G te bewerten Somit k nnen theoretisch und praktisch erlernte F higkeiten angewendet werden Ein Hinterfragen der Sinnhaftigkeit der Mess und Rechenergebnisse ist nat rlich Teil des Lernprozesses Selbstverst ndlich ist auch die Auseinandersetzung mit der praktischen Umsetzung der Maschine als auch das Verst ndnis des angewandten Messaufbaus wichtig Aufgabenstellung Die Aufgabenstellung die sich nach der Modernisierung kaum unterscheiden wird und durch die oben genannte Ziele erreicht werden sollen lautet folgenderma en 2 Nach dem Hochfahren entlang der Leerlaufkennlinie sollen im tiefen Teillastbereich vier verschiedene Betriebspunkte
3. 68 gt Wenn erforderlich Justierung der Messgerate nach Kap 4 5 3 Anfahren gt Anfahren und Z nden mit Schl ssel gt V3 dann Kraftstoffhebel gt V4 auf etwa 20 stellen gt bei 500 U min Magnetventil fur Kraftstoffzufuhr gt V5 zuschalten gt Hochfahren der Maschine gt bei 1500 U min Z ndung mit Schl ssel gt V3 abschalten 4 Station rer Betrieb gt Regelung der Maschine mit a einstellbarer Drehzahl der Bremse gt Br 7 und b Kraftstoffhebel gt V4 Kontrolle von Drehzahl gt Br 2 Nmax lt 2400 min Kontrolle von Warnanzeige gt Br 3 Kontrolle von Abgastemperatur gt V6 t lt 650 C VVWV gt Kontrolle von ltemperatur gt V7 ab to gt 80 C lk hlung gt R6 etwas ffnen Ziel 70 lt te lt 90 gt Mehrmaliges Korrigieren der Ventil ffnung gt R6 kann erforderlich sein gt Die Kraftstoffzufuhr am Tank wird der Messung entsprechend geregelt gt Anz 6 bzw gt Anz 4 Bei berdrehzahl oder zu hoher Abgastemperatur e Kraftstoffhebel gt V4 zur Maschine drucken weniger Gas oder e Not Aus gt V2 dr cken 69 5 Abstellen der Maschine Vv Vv Kraftstoffzufuhr verkleinern gt V4 zur Maschine drucken Maschine entlasten gt Br 7 Bremsdrehzahl rauf gt Leerlauf wird erreicht Abgastemperatur etwa 460 C 5 Minuten bei Leerlauf verharren Kraftstoffhebel gt V4 ganz zuruck nehmen und Not Aus gt V2 drucken gt die Ma
4. Abgaskanal G Getriebe W Wirbelstrombremse al Bisherige Messungen Betriebsphilosophie Betriebsbedingungen Recherche und Auswahl Anschaffung Abb 19 Vorgehen bei der Beschaffungsanalyse fur die Druck und Temperaturmessgerate Be Bisherige Messungen Um den Kreisprozess der Gasturbinenanlage zu berechnen wurden bisher folgende thermodynamische Zustandsgr en gemessen Physikalische Anmerkung Bezeichnung Einheit Gr e Druck Absolutdruck Po mbar Differenzdruck Aps mmWS Differenzdruck Apo mmWS Absolutdruck p2 bar Differenzdruck Ap23 mmWS Differenzdruck Apoa mmWS Temperatur to C t2 C t4 C Die Messung der Umgebungszust nde po und to ist fur die weitere Analyse nicht relevant da die verwendeten Ger te nicht ersetzt werden ebenso wenig die Messung der Temperatur tz Die bei der bung f r 2000 min Abtriebsdrehzahl gemessenen und nun betrachteten Messgr en befanden sich dabei in folgenden Messbereichen Ich habe die zur Messung verwendete Einheit mmWS dabei schon in mbar umgerechnet wobei gilt 10 mmWS 1 mbar Physikalische Bezeichnung Messbereich Einheit Gr e Druck Apa 5 6 mbar APo1 8 9 mbar p2 1 6 1 7 bar Ap23 70 80 mbar APoa 0 3 0 9 mbar Temperatur t4 500 650 C In wie weit die bisher gemessenen Gr en eine Grundlage
5. Vorsatzl ufer Inducer aufgeschrumpft der das Ansaugverhalten des Verdichters verbessert Das axiale Turbinenlaufrad und die darauf sitzenden Turbinenschaufeln sind aus einem St ck gefertigt Sie bestehen aus der Nickelbasislegierung Nimonic 2 K hlkan le als auch W rmed mmungen wie sie bei heutigen Gasturbinen gebr uchlich sind sind nicht vorhanden Das Ritzel mit Schr gverzahnung am vorderen Ende der Welle ist Teil des Untersetzungsgetriebes Es ist erforderlich um die hohen Drehzahlen der Gasturbine auf Drehzahlen herab zu setzen mit denen ein Generator oder eine Bremseinheit betrieben werden k nnen 12 Hydraulische Bremseinheit Bei der bisher verwendeten Bremseinheit handelt es sich um eine Wasserwirbelbremse von Schenck Hacker siehe Abb 5 Durch die Verwirbelung einer Wasserf llung zwischen St nder und L ufer der von der Turbine angetrieben wird kann ein gew nschtes Bremsdrehmoment eingestellt werden Die Wasserwirbelbremse wurde zuletzt als nicht mehr zeitgem angesehen und daher durch eine elektrische Wirbelstrom Bremse ersetzt Folgend wird kurz auf deren Funktionsweise eingegangen Abb 5 Bisher verwendete Wasserwirbelbremse Schenck H cker Der vom Rotor getriebene St nder ist gegen eine Wiegevorrichtung abgest tzt die ihn am Umlauf hindert und die dabei wirkende Bremskraft misst Ist nun der Hebelarm und die Drehzahl bekannt woraus sich durch multiplizieren eine Umfangsgeschwindigkeit erg
6. die anderen zwei Anschl sse hneln 380V Anschl ssen haben jedoch auch Normalspannung ber diese zwei Anschl sse werden das Bremssteuer und das Bremskontrollger t versorgt An eine der vier Schukosteckdosen kann der Stecker f r das Netzger t angeschlossen werden das dann den ben tigten 24V Gleichstromkreis f r die Gasturbinen bereitstellt Damit werden der neue Not Aus Schalter das Magnetventil der Brennstoffzuleitung es wurde bereits beim Unterkapitel Betriebssicherheit erw hnt als auch die neuen Messger te und deren Anzeigen gespeist Weiters wird auch ein Schukoanschluss ben tigt um das Ladeger t f r die Batterie zu betreiben An der 12V Batterie h ngen sowohl der zum Hochfahren ben tigte Starter als auch die Z ndung der Gasturbine Damit die Spannung der Batterie passt sollte sie einen Tag vor Inbetriebnahme geladen werden was ich des Weiteren im Betriebsmanual vermerkt habe 56 4 Ergebnis Betrieb der modernisierten Anlage 4 1 Beschreibung der modernisierten Anlage In diesem Kapitel sollen nun zusammenfassend die Erneuerung der gesamten Maschine als auch deren allgemeine Auswirkungen auf den Betrieb kurz dargestellt werden Die resultierenden Auswirkungen fur die Studierenden als auch f r den Betriebstechniker werden in den folgenden Kapiteln behandelt Was hat sich also seit dem Umbau ver ndert Die zentralste Anderung hat sich an der Bremseinheit der Gasturbine vollzogen Die rein mechanisch
7. kg m T Zeit s Liste verwendeter Indizes Symbol Beschreibung 0 Umgebungszustand 1 Verdichtereintritt 2 Verdichteraustritt 3 Turbineneintritt 4 Turbinenaustritt BK bzw B Brennkammer Bl Blende G Generator L Luft Lb Leistungsbremse M Messfl ssigkeit Wasser RG Rauchgas S Sperrfl ssigkeit T Turbine V Verdichter W Wasserwirbelbremse ab Abtriebswelle Inhaltsangabe 1 Eint hrung 1ntrodueti n enenssr ea 6 2 Problemstellung Rahmenbedingungen und Ziele der Modernisierung 2 1 Beschreibung der Gasturbinenanlage uurssssennennen en nennen 8 2 2 Bisherige Messinstrumentierung und Anzeige uuessneennennenen nn 16 2 3 Beschreibung der Labor bung zzsssuseenannnnnnnnnnnnn nenn nenn 24 2 4 Zielder Moderhisler ng a sa er 27 3 Modernisierung 3 1xWirbelstr mbremsen nl 28 3 2 Auswahl und Analyse der anzuschaffenden Messgerat 34 3 3 Beschreibung der beschafften Messger te unnennnnnnnnnnnnnn en 48 3 4 Anzeige der neuen Messinstrumentierung zsessnnennnennnnnnnn nenn 53 3 5 Sonstiger Umbau 2 ae a 56 4 Ergebnis Betrieb der modernisierten Anlage 4 1 Beschreibung der modernisierten Anlage zuussssennennnn nennen 57 4 2 Auswirkungen der Modernisierung auf den Betrieb 58 453 Betrlepstnant lckense ae 61 4 4 M gliche St rf lle der berarbeiteten Anlage uurs
8. man ber die Ausgangsspannung Ua der Messbr cke r ckschlie en 3 N N Nit A VA Praktische Ausf hrung Abb 23 Beispiel eines DMS Druckaufnehmers Links oben und rechts die praktische Ausf hrung in der Mitte unten die Messschaltung 3 Beim DMS Druckaufnehmer werden die Messstreifen nun wie folgt verwendet siehe Abb 23 Sie werden auf der Unterseite der verwendeten Messmembran angebracht Durch den wirkenden Messdruck p werden die Membran und der DMS verformt Dadurch entsteht in der Messschaltung des DMS eine Ausgangsspannung Ua bzw ein Ausgangsstrom Ia Dieser Strom liegt beim verwendeten 4366 Sensor zwischen 4 und 20 mA der sich auf den Messbereich zwischen 0 und 2 5 bar absolut bezieht Das Stromsignal muss dann noch beim di32 Anzeigeger t entsprechend skaliert werden Sowohl der Druckaufnehmer als auch die Anzeige k nnen bei einem halb oder vollautomatisierten Pr fstand verwendet werden Das Signal der Aufnehmer kann mit einer Messdatenerfassungskarte in einen PC gespeist werden und dort mit einem passenden Programm wie z B LabView weiterverarbeitet bzw auch zur Steuerung der Maschine verwendet werden Auch die Anzeigeger te haben mehrere Signalausg nge 49 Beschreibung der neuen Differenzdruck Messgerate Bei den Ger ten 4304 ist der Druckaufnehmer und die Anzeige in einem Ger t integriert Es gibt zwei pneumatische Anschl sse f r die zu messenden zwei Dr cke Bei allen drei Anwendun
9. masanin 35 t 3 AT a HEB HH a IT EEE s z Ed TV A 8 1 A 10 Ss o VELOCITA lt gAN SPEED rev min DREHZAHL 1 min VITESSE tr mind Abb 15 Kennfeld der Wirbelstrombremse mit einem repr sentativen Betriebspunkt bei Nab 2000 min Per 8 9 KW Mer 43 Nm Bei der Bremsung wird die auf der Abtriebswelle sitzende Bremsscheibe durch die Wechselwirkung mit einem Magnetfeld verz gert Durch die dabei auf der Bremsscheibe entstehenden Wirbelstr me wird die mechanische Energie in W rme umgewandelt die dann mittels Wasserk hlung abgef hrt wird Das dabei maximal erreichbare Bremsmoment liegt bei 235 Nm die maximale Bremsleistung betr gt 110 kW Eine genauere Behandlung der Funktionsweise des Betriebsbereiches und dessen Grenzen erfolgt im Weiteren Ausgestattet ist die FE 150 S mit einer Messeinrichtung f r die Bestimmung von Drehzahl Drehmoment und Bremsleistung mit deren Hilfe die Bremslast dann den Anforderungen entsprechend eingestellt 29 werden kann Insgesamt gliedert sich die Maschine also in drei separate Aggregate Ein Bremssteuergerat ein Bremsmessgerat und die Wirbelstrombremse an sich Die drei gemessenen Gr en werden dabei im Messger t verarbeitet mit Digitalanzeigen dargestellt und ins Steuerger t weitergeleitet Dort wird damit und mit der manuell einstellbaren Soll Bremsgr e eine Stellgr e erzeugt Mit dieser wird im Steuerger t ein Gleichstrom erzeugt mit dem d
10. was nun f r den Betriebstechniker gut m glich ist Abb 27 Bedienpult des modernisierten Gasturbinenpr fstandes Rechts oben die Anzeige f r Drehzahl Bremsmoment und Bremsleistung darunter die Anzeige der Abgastemperatur ta Das Resultat der neuen Messanzeige Im Vergleich zur alten Anlage sind also folgende Verbesserungen bei der Anzeige der Messergebnisse erreicht worden e Durch die Anordnung sind die Anzeigeger te wesentlich leichter abzulesen was den Ablauf der Labor bung vereinfacht e Die Werte der Differenzdr cke sind durch die Digitalanzeigen schneller zu erfassen als mit den U Rohrmanometern Alle Messwerte werden nun in gebr uchlichen SI Einheiten angezeigt Als auch e Die Bedienung der Maschine ist durch die weitere Temperaturanzeige einfacher geworden Man kann also insgesamt von einer Verbesserung f r Studierende und Betriebstechniker sprechen 55 3 5 Sonstiger Umbau In diesem Abschnitt wird der Umbau der elektrischen Ausrustung der Maschine kurz dokumentiert Dieser ist nicht Gegenstand der Diplomarbeit und wird nur der Vollst ndigkeit halber angef hrt weil er Voraussetzung fur den Einbau der neuen Bremse als auch der neuen Messger te ist Durchgef hrt wurden die Arbeiten vom Institutsmitarbeiter Franz Trummer Ausgangspunkt der Stromversorgung ist ein 220V Wechselstromanschluss An diesen wurden insgesamt sechs Anschl sse angeschlossen Vier davon sind konventionelle Schukostecker
11. 1950s it is impossible today to get any spare parts for maintenance As a result the engine is operated only in lower partial load This occurs when it is used for a laboratory tuturial concerning thermal turbomachinery and energy systems which is predominantly attended by students of mechanical engineering The aim of the laboratory tutorial is to get to know the operating behaviour in a practical way as well as to apply different methods of measuring As a consequence the upgradings purpose is to encourage and support the students learning Further the engine should be representative for present used technology as much as possible The upgrading consists of various measures They include the renewal of the brake unit measurement instruments and electrical equipment Further measures are planned for the future In this diploma thesis the renewal of the measurement instruments and the the influence on operation of the eddy current brake unit will be discussed Another topic is the documentation of the electrical equipment renewal The upgrading results in a different way of operation which will be described as well as possible malfunctions of the new engine configuration To enable correct and safe operation an appropriate operation manual will be added to the thesis At least a forecast concerning the next tutorial will be made and possible potentials for further upgrading will be mentioned I hope this thesis will have a positive effect on edu
12. 2 Auswahl und Analyse der anzuschaffenden Messgerate Ein Ziel der Diplomarbeit ist es die bisherige Messinstrumentierung zu erneuern Das Prinzip des angestrebten neuen Messaufbaues ist dabei in der Abbildung 18 zu sehen Zur neuen Messinstrumentierung geh ren Druck und Temperaturmessger te als auch die zur Bremseinheit geh renden Messvorrichtungen der Wirbelstrombremse Letztere sind jedoch kein Gegenstand dieses Kapitels da sie Teil der Bremsbeschaffung sind Bei der folgenden Analyse werde ich wie in Abbildung 19 dargestellt vorgehen In diesem Kapitel werde ich eine die Druck und Temperaturmessung betreffende Analyse anstellen um so geeignete Messger te anschaffen zu k nnen Dabei werde ich zuerst auf die bisherigen Messungen eingehen aus denen sich die Betriebsbedingungen f r die Messger te ableiten lassen Weiters werde ich kurz die Betriebsphilosophie des Pr fstandes besprechen Aus der Betriebsphilosophie und den Betriebsbedingungen zusammen ergeben sich dann die Anforderungen f r die Messger te denen entsprechend ich dann bei verschiedenen Herstellern recherchieren werde Das Ergebnis dieser Recherche und damit der Analyse ist die Beschaffung der neuen Messger te Auf der folgenden Seite habe ich die einzelnen Schritte und damit Unterkapitel noch einmal dargestellt Abb 18 Neuer Messaufbau des Pr fstandes mit Bl Messblende V Verdichter B Brennkammer Br Brennstoffbeh lter T Turbine A
13. Messwerte auch eindeutig ablesbar sind Um eine gute Ablesbarkeit f r verschieden gro e Studierende zu erreichen habe ich darauf geachtet die Anzeigen nicht ber einer H he von 160 cm anzubringen Links oben im Bild ist noch ein vereinfachtes Schaltbild des Pr fstandes zu sehen Es entspricht im Wesentlichen den Schaltbildern aus den Thermodynamik Lehrveranstaltungen und soll hier eine Art Br cke sein zwischen erlernter Theorie und der praktischen Umsetzung der Gasturbine Damit ist auf einen Blick erfassbar an welchem Teil der Maschine die angezeigten Messgr en gemessen werden Insgesamt wurde mit der hier beschriebenen L sung der Montageaufwand minimal gehalten Dies wurde nun nicht von vorne herein angestrebt ist aber in Anbetracht eines baldigen Umzuges des gesamten Labors eine sinnvolle Ma nahme Das Bedienpult Der zweite Ort an dem nun noch Messdaten ersichtlich sind ist der Ort direkt an der Maschine von dem aus diese bedient wird siehe Abb 27 Ich habe jenen Bedienpult genannt Beim Bedienpult sind nun die f r die Studierenden als auch den Betriebstechniker relevanten Bremsdaten am Bremsmessger t abzulesen Au erdem wurde darunter die beim Umbau bersch ssig gewordene Anzeige der Abgastemperatur angeordnet Diese ist f r den Betrieb ein wichtiger Parameter da bei zu hoher Temperatur die Maschine 54 automatisch heruntergefahren wird Um das zu vermeiden sollte man jene also immer im Blick haben
14. der Wassers ule in einem Glasrohr ist wesentlich leichter als Druck nach zu vollziehen als ein Zahlenwert der Einheit mbar Ebenso ist das 78 Verst ndnis einer Stroboskop Drehzahlmessung an der rotierenden Welle besser als wenn man lediglich den Messwert von der Digitalanzeige abliest Beide Vorg nge sind jedoch auch exemplarisch f r die moderne Technik Welcher didaktische Weg nun am sinnvollsten ist um technisches Wissen zu vermitteln ist eine grunds tzliche Frage Der Betrieb der Maschine F r den seit mehreren Jahrzehnten am behandelten Pr fstand arbeitenden Betriebstechniker wird das Arbeiten mit der neuen Bremse sicherlich eine gewisse Umstellung sein F r Technik kundigen Menschen d rfte es nun aber mit Hilfe des Betriebsmanuals auch m glich sein die Maschine nach einer gr ndlichen Einarbeitung zu Betreiben Insgesamt d rften sich aber die Modernisierung als auch der einfachere Messablauf positiv auf den Betrieb auswirken Temperaturverteilung im Abgaskanal Durch die vier um den Umfang verteilten Temperaturmesssonden werden sich bestimmt bei einem Betriebspunkt unterschiedliche Temperaturen einstellen Das Abweichen die Quantit t der Abweichungen als auch die rtliche Verteilung der Temperaturen werden dabei sicherlich einige interessante Fragestellungen aufwerfen In wie weit darauf eingegangen wird und ob die Thematik f r Studierende von Interesse ist wird man sehen Jedenfalls bringt mich dieser Gedanke g
15. der Teillast gefahren wird Es gibt daher entsprechend obigen Ausf hrungen keine speziell zu ber cksichtigenden Betriebsbedingungen 39 e Temperaturmessung t4 Bei der Temperaturmessung tritt verglichen mit der Druckmessung eine Besonderheit auf Die Messsonden befinden sich hier im Str mungskanal Das bedeutet auch dass das Material mit dem bis 650 C heiBen Rauchgas direkt in Beruhrung kommt was bei der Auswahl der Sonden berucksichtigt werden muss Grundsatzlich durfte das aber kein Problem sein da Sonden mit dem geforderten Messbereich oft in Umgebungen betrieben werden in denen Messungen an wenig aggressiven Gasen wie dem Dieselabgasgemisch vorgenommen werden Die mechanische Belastung auf die Sonden infolge der Anstr mung ist noch einer Betrachtung Wert ber die Messungen bei der Labor bung kann der Massenstrom 0 3 kg s die Gastemperatur 900 K und damit die Dichte 0 35 kg m ermittelt werden Weiteres kann man mit dem Querschnitt des Abgaskanals 0 02 m die Str mungsge Schwindigkeit u 42 7 m s und damit den dynamischen Druck vom Gas auf die Sonden berechnen Daya 0 5 p u 3 2 mbar Dieser Wert ist sehr klein und stellt keine nennenswerte mechanische Belastung f r etwaige Sonden dar Obwohl der Druck bei Volllast wegen des quadratischen Verhaltens erheblich steigen w rde w re dies nicht relevant Auch mit sch dlichen Druckschwankungen w hrend des Betriebes ist entsprec
16. diesem aus gehen die Leitungen durch einen Kabelkanal zur Anzeigetafel wo sie an die verschiedenen U Rohrmanometer angeschlossen sind Die Drucke k nnen dort in Millimeter Wassers ule mmWS abgelesen werden Sperrfl ssigkeit p P2 Py s Pu Messflissigkeit Abb 12 Differenzdruckmessung mit U Rohrmanometern Rechts ist zu erkennen dass die Dr cke Apo Apo4 und Aps relativ zum Umgebungsdruck gemessen werden Die physikalische Beziehung f r den Differenzdruck siehe auch Abb 12 zwischen linkem und rechtem Schenkel im U Rohrmanometer f r die Messfl ssigkeit Wasser und die Sperrfl ssigkeit Luft lautet dann wie unten angegeben Mit der gemessenen Differenz der Wassers ulen in mm kann damit der Differenzdruck in Pa bestimmt werden P2 p pmgh p2 pi Pa 9 81 h mmWS Auch der Differenzdruck Ap23 ber die Brennkammer wird auf diese Weise gemessen Dabei werden aber beide Schenkel durch die entsprechenden Messleitungen beaufschlagt Der Absolutdruck hingegen wurde mit einem elektro mechanischen Druckaufnehmer gemessen Die mit dem Druck am Verdichteraustritt beaufschlagte Messleitung geht von der Anzeigetafel weiter zum Messwertgeber der ein dem Druck proportionales elektrisches Signal an 30 den PC in der Steuerwarte schickt Auf jenem kann man mit Hilfe einer Messdatenerfassungskarte und passender Software das Drucksignal in der Einheit bar ablesen Alle soeben angef hrten Druckaufneh
17. durch die Messung der zwei Absolutdr cke p2 und p3 entstehen w rde Aus diesem Grund und jenen Gr nden die gegen den Honeywell Sensor sprechen habe ich dieser alternativen L sung letztendlich den Vorzug gegeben und den f r die p2 Messung gew hlten Aufnehmer als auch das dazugeh rige Anzeigeger t doppelt bestellt 45 e Recherche und Auswahl f r die Messung von t4 Die Auswahl f r die vier Temperaturmessger te gestaltete sich wieder einfacher Gesucht sind vier Thermoelemente f r Bereiche bis 600 C mit entsprechender Anzeige Gefordert sind Korrosionsbest ndigkeit gegen das Abgasgemisch als auch die Geometrie betreffend ein Durchmesser der Sonden von 6 mm um die bisherigen Einbaum glich keiten ohne Modifikation nutzen zu k nnen Bisher haben sich Thermoelemente des Typs K als zufrieden stellend erwiesen Au erdem w rde eine neuerliche Nutzung dieser Bauart die Weiterverwendung der nicht mehr gebrauchten einzelnen und bereits adaptierten t4 Anzeige erlauben Diese kann dann direkt beim Bedienpult der Maschine vorteilhaft eingesetzt werden Erfreulicherweise bin ich auch in diesem Fall bei der Firma JUMO f ndig geworden Das Einsteck Thermoelement 90 1150 ist in K Ausf hrung zu haben Da kurzzeitig Temperaturen im Abgaskanal ber 600 C auftreten k nnen habe ich die Verh ltnisse der Warmeleitung in der Messsonde sicherheitshalber nachgerechnet Es sollten damit keine Probleme geben Weiters erf llt das
18. erdem beachtet werden e Last nderungen sind langsam zu vollziehen Gro e Lastanderungen ergeben eine verst rkte thermische Belastung was f r die Maschine und die Messtechnik nachteilig ist Besonders bei der Bremssteuerung ist darauf Wert zu legen gt 62 Betriebsmanual fur den Gasturbinenprufstand ROVER 1S 60 der TU Wien Institut fur Thermodynamik und Energiewandlung HH Gasturbinenpr fstand ROVER 1S 60 63 Allgemein Die Vorderseite des Gasturbinenpr fstandes ROVER 1S 60 ist auf der vorhergehenden Seite zu sehen Von dieser Seite aus wird der Prufstand bedient Im oberen Teil des Bildes sind das Bremssteuer und Bremsmessgerat zu erkennen dessen Bedien und Anzeigeelemente mit Br gekennzeichnet werden Links davon ist die Zuluftleitung Im Bild rechts ist die grune Bremseinheit zu sehen Zwischen diesen drei Komponenten ist die eigentliche Gasturbine mit der Abtriebswelle zu sehen An der Vorderseite der Gasturbine sind folgende Bedienelemente und Anzeigen angeordnet Vorderseite mit folgenden Bedienelementen und Anzeigen V1 Hauptschalter der Batterie V2 Not Aus Schalter V3 Z ndschl ssel V4 Kraftstoffhebel V5 Magnetventil f r Kraftstoffzufuhr V6 Anzeige der Abgastemperatur V7 Anzeige der Oltemperatur 64 Z AN R ckseite mit folgenden Bedienelementen und Anzeigen Absperrventil f r die Wasserk hlung sowie Wasserdruckanzeige Wasserfilter
19. f r die zuk nftigen Messungen sind werde ich im bern chsten Unterkapitel Betriebsphilosophie besprechen 36 Betriebsbedingungen der Messgerate Die Betriebsbedingungen m ssen f r jedes Ger t einzeln untersucht werden da jene sich in mehrerlei Hinsicht unterscheiden So wird die Maschine vor der Brennkammer von Umgebungsluft und nach der Brennkammer von Rauchgas durchstr mt was Auswirkungen auf das verwendete Material haben kann Au erdem herrschen an den einzelnen Messstellen unterschiedliche Dr cke und Temperaturen wobei diese nicht gleich denen am Sensor selbst sein m ssen Insofern ist eine genau Analyse der Bedingungen f r jede Messvorrichtung n tig Dabei folge ich der Reihenfolge der in Abbildung 20 angef hrten Tabelle ooo EEE TEE ee ee FE ES SCHERE S S So eee EEE ERBE eee Druck Ap_blende 0 10mbar_ 6 40 C 40 C 1barfLut Druck fAp_01 0 10 mbar 9 40 C 40 C Tballuft Druck Ap_23 0 100 mbar_ 76 750 C 40 C 4barlRauchgas Ap Druck fAp_04 0 1 mbar 0 61 650 C 40 C _1bar Rauchgas DO Druck Ip 2 0 2 5 barabs 1 6 300 C 40 C Aballuft a ee ee ee ae 0 600 C 650 C 600 C 1bar Rauchgas Abb 20 Eckdaten der Betriebsbedingungen f r Nab 2000 min bei den betrachteten Messstellen e Differenzdruck Messger te f r Aps und Apo Die beiden Differenzdruck Messungen an der Blende bzw zwischen Verdichtereintritt und Umgebung weisen keine Beso
20. funktionierende Wasserwirbelbremse wurde durch eine Wirbelstrombremse ersetzt Die Handhabung der Maschine ndert sich dadurch grundlegend Zur Bedienung der Bremse wurde das Steuer und Messger t der Bremse auf einem Gestell montiert das direkt ber der Abtriebswelle der Gasturbine sitzt Die Bremslast kann damit durch verschiedenste Modi variiert und eingestellt werden Ein Nachteil ist aber dass ein pl tzlicher Stromausfall zum v lligen Abwurf der Bremslast und damit zum Durchgehen der Turbine f hren kann Um das zu verhindern sollte die Anlage noch mit einer mechanisch wirkenden Fliehkraftsicherung nachger stet werden Die zweite offensichtliche nderung ist die Neuausstattung mit digitalen Messger ten Diese Ma nahme als auch die neue Bremse stellen einen repr sentativen Stand der Technik dar was die ganze Anlage in mehrfacher Sicht aufwertet Bei der Druckmessung wurden die bereits vorhandenen Messbohrungen und Leitungen bernommen lediglich die Druckaufnehmer und Anzeigen wurden erneuert Deswegen ergibt sich dadurch kein Einfluss auf den weiteren Betrieb Im Zuge der Temperaturmessungen wurden vier neue Thermoelementsonden in den Abgaskanal eingesetzt Auch der daraus resultierende minimal gr er werdende Str mungswiderstand d rfte keinen Einfluss auf den weiteren Betrieb haben Zuletzt ist noch die Anpassung der elektrischen Ausr stung des Pr fstandes anzuf hren die f r die beiden oben genannten Erneuerungen erfo
21. gew hlte Thermoelement auch die geometrischen Voraussetzungen f r den Einbau Mit folgender Spezifikation habe ich vier Sensoren dieses Typs bestellt gt Ausgleichsleitung bestehend aus Metallgeflecht geeignet fur Einsatztemperaturen bis 600 C gt Elementtyp K NiCr Ni gt Einbaulange der Sonde 300 mm gt L nge der Ausgleichsleitung 7000 mm Fur das Anzeigegerat gibt es folgende Optionen 1 Darstellung der vier Signale auf vier separaten Anzeigen 2 Darstellung der vier Signale auf zwei separaten umschaltbaren Anzeigen Dabei muss erwahnt werden dass es wegen der Leitungspaarung und damit wegen des Ausgangssignals der Sensoren sinnvoll ist Anzeigegerate zu w hlen die diesen Thermoelement Typ unterst tzen Unter dieser Einschrankung ergeben sich die zwei obigen Optionen Aus didaktischen Gesichtspunkten habe ich mich fur die Option mit vier separaten Anzeigen entschieden Bei der Ubung geht es darum die Messwerte m glichst verst ndlich darzustellen Werden nun an einem Bereich der Maschine vier verschiedene Temperaturmessungen durchgef hrt und diese wiederum auf zwei separaten und umschaltbaren Anzeigen dargestellt so kann das durchaus zu Verwirrung f hren Das ist zu vermeiden 46 Also habe ich mich fur die Bestellung von vier JUMO Anzeigegeraten di eco entschieden Diese unterscheiden sich von den bereits ausgew hlten di32 Typen darin dass sie einfacher aufgebaut sind und nur drei statt
22. gt abwechselnd wird Cod 0 angezeigt gt Mit den Pfeiltasten den Code 72 einstellen gt Mit P quittieren gt abwechselnd wird Al Zahlenwert angezeigt gt P so oft dr cken bis abwechselnd Of t Zahlenwert erscheint gt AT mit den Pfeiltasten zum angezeigten Offset Wert addieren bzw subtrahieren und mit Taste P quittieren gt Entweder P mit Pfeil unten gleichzeitig dr cken oder Time out nach einer Minute abwarten gt Der justierte Messwert erscheint nun auf der Anzeige 75 J ustierung der Absolutdruck Messgerate Die zwei neuen Absolutdruck Messgerate bestehen jeweils aus einem Anzeigegerat JUMO di 32 siehe Abb 30 und einem Druckaufnehmer JUMO dTRANS p30 Bei der Justierung jener werden ebenfalls nur Veranderungen am unten dargestellten Anzeigegerat vorgenommen BORD Abb 30 Anzeigegerat di 32 08 fur die Absolutdruckmessung Fur die Justierung ist auBerdem als Referenz ein Messgerat zur Messung des Umgebungsdruckes erforderlich Es wird davon ausgegangen dass im Inneren der Gasturbine der Umgebungsdruck herrscht Das Vorgehen beim Justieren lautet dann wie folgt gt Messung des Umgebungsdruckes mit Referenzgerat gt Ermitteln der Differenz Ap von Referenzdruck weniger angezeigtem Druck gt Taste P zwei Sekunden gedr ckt halten gt es erscheint abwechselnd dF Zahlenwert gt Taste P zwei Sekunden gedr ckt halten gt es erscheint abwechselnd C111 0
23. ist f r die Kreisprozessrechnung nicht zwingend erforderlich gerade die unten angef hrten Gr en zu ermitteln es hat sich aber bei der praktischen Durchf hrung als vorteilhaft erwiesen Die gemessenen Gr en waren Physikalische Anmerkung Bezeichnung Einheit Gr e Druck Absolutdruck Po mbar Differenzdruck APs mmWS Differenzdruck Apo mmWS Absolutdruck p2 bar Differenzdruck Ap23 mmWS Differenzdruck Apoa mmWS Temperatur Statische Temperatur to C Gesamttemperatur t2 C Gesamttemperatur t4 C Bremslast Zur Bremskraft quivalentes mw kg Gewicht der Wasserwirbelbremse Drehzahl Bez glich Abtriebswelle n min Brennstoff Volumetrische Messung mit T s Massenstrom Zeitnehmung 16 Anmerkung e Der Druck Ap23 konnte auf Grund von Messwertschwankungen w hrend des station ren Betriebes nur auf 10 mmWS Millimeter Wassers ule genau ermittelt werden e Die Messung der Umgebungszust nde po und to wird im Weiteren nicht mehr behandelt Sie erfolgt mit einem Handmessger t Der bisher verwendete Messaufbau ist in folgendem Schema Abb 9 zu erkennen Alle im Zuge der Modernisierung ausgetauschten Messger te und Apparate sind darin rot markiert A Blende B Verdichter C Brennkammer D Turbine E Brenn stoffbeh lter F Getriebe G Drehzahlmesser H Wasserwirbelbremse Abb 9 Schema des bisher ve
24. m glicherweise inhomogene Temperaturverteilung im Str mungskanal getroffen werden Damit werden dann auch die Grenzen bei der Interpretation von Punktmessungen in der Str mungsmesstechnik ersichtlich Aus betrieblicher Sicht gibt es folgende Ziele Nach dem Umbau soll die Betriebssicherheit selbstverst ndlich weiterhin gegeben sein Dazu wird der manuell zu bet tigender Not Aus Schalter als Sicherheitssystem erneuert Au erdem sollen alle f r den sicheren Betrieb notwendigen Anzeigeger te direkt von der Position des Betriebstechnikers aus ablesbar sein was bis jetzt nicht m glich war Das d rfte den Betrieb wesentlich vereinfachen Das sind die Ziele dieses Modernisierungsschrittes Wie bereits erw hnt sind noch weitere Schritte geplant 27 3 Modernisierung 3 1 Wirbelstrombremse In diesem Kapitel m chte ich zuerst auf die Charakteristiken der neuen Bremse eingehen dann auf die Funktionsweise einer Wirbelstrombremse und im Anschluss auf die Betriebsanforderungen und den m glichen Betriebsbereich Als neue Leistungsbremse f r den Gasturbinenpr fstand wurde die Wirbelstrombremse FE 150 S der Firma Borghi amp Saveri ausgew hlt siehe Abb 14 Diese wurde zwar f r Pr fst nde von Verbrennungskraftmotoren entwickelt kann aber auch f r die behandelte Gasturbine verwendet werden Die Ursache f r diese nicht optimale L sung ist dass es kaum Pr fst nde f r Kleingasturbinen der verwendeten Gr enordnung gibt
25. r ist dass sowohl die zugef hrte Brennstoffmenge als auch die Bremslast unver ndert bleiben Somit ist ersichtlich dass die Brennstoffzugabe als auch die eingestellte Bremslast siehe Abb 7 die zwei einzigen Stellgr en f r den Betrieb der Maschine sind wenn man von der Hochfahrprozedur absieht ber diese zwei Parameter wird die Turbine manuell geregelt Abb 7 Bedienhebel der Bremse zum Einstellen der Bremslast 14 Haupts chlich zu beachten ist beim station ren Betrieb der Maschine das Einhalten folgender Parameter e Drehzahl e Abgastemperatur t4 e Oltemperatur Vertiefend wird auf das Betriebsverhalten der Uberarbeiteten Anlage in Kapitel 4 eingegangen Betriebssicherheit Um ein Durchgehen der Welle bei Versagen der Bremse oder um unzulassig hohe Turbinenaustrittstemperaturen zu verhindern aber auch um ein pl tzliches Abschalten der Maschine bei Notf llen zu gew hrleisten sind Sicherheitssysteme erforderlich Vor dem Umbau gab es deswegen davon drei Verschiedene e Die Temperatursicherung um unzul ssig hohe Temperaturen t4 gt 650 C am Turbinenaustritt zu verhindern e Das Not Aus zum sofortigen Abschalten der Maschine nach manueller Betatigung e Eine Fliehkraftsicherung verhindert ein Uberschreiten der vorgesehenen Betriebsdrehzahl und damit ein Durchgehen der Turbine Nach dem Umbau bleiben die zwei ersten Systeme bestehen der erneute Einbau einer Fliehkraftsicherung ist jedoch empfehlens
26. relativ hohe Druckschwankungen auftreten Dies u erte sich bis jetzt darin dass es an der Wassers ule des U Rohrmanometers zu 10 mm hohen Pegelschwankungen gekommen ist Diese Druckschwankungen verursachen eine gewisse Messunsicherheit was im Weiteren bei der Ger teauswahl noch zum Tragen kommen wird Weiters ist bei der Auswahl zu beachten dass die Druckschwankungen w hrend des Betriebes dem Sensor nicht schaden Der letzte Aspekt bei der Betrachtung der Betriebsbedingungen um die Brennkammer betrifft das str mende Medium In der Brennkammer kommt es zur Verbrennung des Dieseltreibstoffes mit Luft woraus ein Abgasgemisch entsteht Dieses ist grunds tzlich wenig korrosiv und auf Grund der gro en Leitungsl nge wird davon ausgegangen dass es dadurch zu keinem schadhaften Einfluss auf die empfindlichen Drucksensoren kommt Dieser Einfluss k nnte durch das Aufstellen der eindimensionalen Diffusionsgleichung untersucht werden Im Rahmen dieser Arbeit verzichte ich jedoch darauf e Differenzdruck Messung Apoa Die Messung des Differenzdruckes zwischen Turbinenaustritt und Umgebung weist abgesehen von den sehr niedrigen Messwerten keine Besonderheiten auf Die Temperatur und Korrosionsempfindlichkeit ist gleich dem oben beschriebenen Fall vernachl ssigbar e Absolutdruck Messung p2 Bei der Absolutdruck Messung am Verdichteraustritt treten Temperaturen ber 200 C und Dr cke bis 2 bar auf wenn die Maschine wie bisher in
27. 15 60 Kleingasturbine wird verwendet f r die Labor bung Thermische Turbomaschinen und Energieanlagen die Teil des jetzigen Masterstudiums Maschinenbau der Technischen Universit t Wien ist Die Labor bung Thermische Turbomaschinen und Energieanlagen besteht aus mehreren bungseinheiten Eine davon ist die Messung der Betriebsparameter an der ROVER Gasturbine was im Weiteren mit der Labor bung gleichgesetzt wird Die bung wird betreut von einem Professor und einem Labormitarbeiter der die Maschine betreibt Im optimalen Fall ist die Labor bung f r vier bis sechs Studierende ausgelegt die sich mit den einzelnen Messungen befassen und dauert an sich etwa zwei bis drei Stunden Eine Vorbereitung der Anlage und eine Auswertung der Ergebnisse sind davon abgesehen selbstverst ndlich auch notwendig Bis auf nicht absehbare Zeit ist geplant dabei mit der behandelten Gasturbine zu arbeiten Um diese in Anbetracht ihrer Ausf hrung auf einem m glichst repr sentativen Stand der Technik zu halten ist eine kontinuierliche Modernisierung in mehreren Schritten geplant Einer davon wird im Rahmen dieser Diplomarbeit behandelt und ausgef hrt Nichts desto trotz ist die Maschine aber dennoch gut geeignet um Studierenden die wesentlichen Charakteristiken beim Betrieb einer station ren Gasturbinenanlage n her zu bringen Dazu geh rt u a das Bestimmen eines Betriebskennfeldes was die Messung von mehreren station ren Betriebspunkten erfordert
28. 2susrRen ern 71 4 5 Kalibrierung und Justierung der neuen Messgerate 00085 74 4 6 Vorausblick auf die kommende LabOrubungG cccceeeeeeeee ees 78 4 7 Potenzial zur weiteren MOderniSi rUng cccceeeeeeeeeeeenneneeaas 80 5 Zusammenfassung Abstra ct uessessensenenneneennnenennnnenn 84 6 Anhang 9 1 Bibll09faphie sr as ae IE En 86 6 2 Internetseiten ea ar Reisen A 87 1 Einfuhrung Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Modernisierung einer station ren Gasturbinenanlage Diese wird ausschlieBlich fur Lehrzwecke von der Technischen Universitat Wien verwendet Weiters soll ein Betriebsmanual erstellt werden an Hand dessen die Maschine problemlos und sicher betrieben werden kann Es handelt sich bei der Gasturbinenanlage um eine Kleingasturbine der Firma Rover die auf Grund ihres Betriebsalters und des daher bestehenden Mangels an Ersatzteilen nur mehr im Teillastbetrieb gefahren wird Dies geschieht im Rahmen einer Labor bung f r thermische Turbomaschinen und Energieanlagen die haupts chlich von Studierenden der Fachrichtung Maschinenbau besucht wird Ziel der Labor bung ist es unter anderem das Betriebsverhalten einer Gasturbinenanlage praktisch kennen zu lernen und dabei verschiedene Methoden der Messtechnik anzuwenden Deswegen hat die Modernisierung folgende Aufgabe Das Verst ndnis der Studierenden f r die Maschine und die angewandten Messmethoden soll so weit als m glich gef rdert und unters
29. 53 Kontrolle 53 gt Neun mal P dr cken bis OFFS Zahlenwert erscheint gt Differenz Ap zum angezeigten Offset Wert mit Pfeilen addieren oder subtrahieren gt So oft P dr cken bis die justierte Druckanzeige am Display erscheint oder Time out nach einer halben Minute abwarten 16 J ustierung der Differenzdruck Messgerate Die Justierung der drei Differenzdruckger te JUMO 4304 ist wesentlich schwieriger Die Ger te m ssen dazu bei gegebenem elektrischen Anschluss ge ffnet werden Ich verweise deswegen im Weiteren auf die Betriebsanleitung der Ger te Kapitel Kalibrierung SFT 4 6 Vorausblick auf die kommende Labor bung Nachdem nun im Wesentlichen der Zustand vor dem Umbau die Modernisierung als auch der Zustand nach dem Umbau besprochen wurden m chte ich in den folgenden zwei Kapiteln noch einen Blick in die n here Zukunft des Pr fstandes werfen In diesem Kapitel sollen dabei einzelne Aspekte besprochen werden die sich in Hinblick auf die n chste Labor bung ergeben bzw ergeben k nnten Einschulung vor der Labor bung Die Einschulung der Labor bung ndert sich insofern da es vermutlich schwieriger ist die Wirkungsweise einer Wirbelstrombremse zu erkl ren als die einer rein mechanisch wirkenden Wasserwirbelbremse Schlie lich ist der Energiewandlungsprozess innerhalb der neuen Bremse wesentlich komplexer als zuvor Wie und in wie weit Prof Willinger Dipl Ing Albert Benoni und die
30. Diplomarbeit Modernisierung eines Gasturbinenprufstandes Als Abschlussarbeit des Diplomstudienganges Maschinenbau der mit dem akademischen Grad Diplom Ingenieur abgeschlossen wird In Zusammenarbeit mit Professor Reinhard Willinger Ao Univ Prof Dipl Ing Dr techn Institut f r Thermodynamik und Energiewandlung Technische Universit t Wien von Markus Januschewsky Wien November 2009 Technik fur Menschen Liste verwendeter Formelzeichen Symbol Beschreibung Einheit A Oberflache m Am Membranoberflache m Aguas Querschnittsflache m B Magnetische Flussdichte T F Kraft N Fr Federkraft N Fw Kraft der hydraulischen Bremse N I Ausgangsstrom A Mert Effektives Bremsmoment Nm Peff Effektive Bremsleistung kw Q Warmestrom W R Radius m T Temperatur K Te Eigentemperatur K Tges Gesamttemperatur K Tstat Statische Temperatur K Uo Versorgungsspannung V Ua Ausgangsspannung V Ur Thermospannung V Imin Minimales Luftverh ltnis kg kgs Mw Last der hydraulischen Bremse kg n Drehzahl mint p Absolutdruck bar r Radius m r Recovery Faktor u Str mungsgeschwindigkeit m s V Geschwindigkeit m s x Membranauslenkung m Ap Druckdifferenz bar AT Temperaturdifferenz K W rmeleitf higkeit W mK Neff Effektiver Wirkungsgrad p Dichte
31. Luft vor und Rauchgas nach der Brennkammer in den fur die Kreisprozessberechnung relevanten Komponenten der Gasturbine zu ermitteln siehe Messaufbau Bisher wurden bei der Labor bung zwei verschieden Arten von Druckmessung durchgef hrt Zum einen wurden Differenzdr cke zwischen zwei Zust nden mit mehreren U Rohrmanometern gemessen Zum anderen wurden Absolutdr cke mit einem Druckaufnehmer und einer entsprechenden PC gest tzten Anzeige verwendet Die U Rohrmanometer waren dabei alle auf der Anzeigetafel angeordnet Der Druckaufnehmer f r den Absolutdruck p2 war an einer daneben stehenden Anlage montiert w hrend hingegen die PC Anzeige in einer auf der anderen Seite der Gasturbine liegenden Steuerwarte die nicht zum Pr fstand geh rt angeordnet war Verst ndlicherweise ist f r die Studierenden das Nachvollziehen der Messung in so einem Fall schwierig Abb 11 Messbohrungen und davon abgehende Messleitungen am Verdichtereintritt rechts und Verdichteraustritt links f r die Dr cke p mit Sammelschiene und pz einzeln Die Messbohrungen am Maschinengeh use Abb 11 wurden bereits von der Herstellerfirma angefertigt Die Qualit t dieser ist von entscheidender Wichtigkeit f r die Genauigkeit der Messung wie in der betreffenden Literatur f r Str mungsmesstechnik nachgelesen werden kann 1 10 Daran angeschlossen sind die einzelnen Messleitungen die von den Messbohrungen aus zu einem Anschlusspanel fuhren Von
32. a JUMO GmbH 47 3 3 Beschreibung der beschafften Messger te In diesem Kapitel werde ich zuerst ganz allgemein auf den Einbau der neuen Messger te eingehen und danach wieder auf die einzelnen Messger te Dabei werde ich kurz die Funktionsweise beschreiben als auch das Potential der Ger te f r zuk nftige Modernisierung Bei Betrieb ist wegen der neuen Messger te immer zu beachten Die angegebenen Messbereiche der Druckaufnehmer m ssen eingehalten werden Allgemeines die neuen Messger te betreffend Die angeschafften Messger te bzw deren Anzeige sind Einbaumessger te d h sie sind so gefertigt dass man sie problemlos an einer Wand anbringen kann Dies ist von Vorteil wenn der Pr fstand in naher Zukunft wegen des Umzuges des Institutes wieder umgebaut wird Zum elektrischen Anschluss der Ger te ist Folgendes zu sagen Wie geplant hat der Anschluss an die Gleichstromversorgung der Turbine gut geklappt Es gab keinerlei Beeintr chtigungen der Hilfsfunktionen der Turbine f r die der Stromkreis urspr nglich ausschlie lich gedacht war Und obwohl insgesamt mehrere elektrische Anschl sse bei der Druck Messtechnik hinzukamen ist bei der Inbetriebnahme kein Handgriff mehr zu tun als vorher Insofern konnte das Problem der Stromversorgung gut gel st werden Bei der Auslegung wurde erw hnt dass infolge der ausgew hlten Ger te f r die Differenzdruckmessung bestimmte Grenzen beim Betrieb zu beachten sind Auf diese wer
33. alle angesaugt Die Abgase werden ber einen Kamin in die Umgebung abgef hrt Kenndaten der Gasturbine e Baujahr 1957 e Nennleistung 60 BHP brake horse power etwa 45 kW e Rotordrehzahl 46000 min e Abtriebsdrehzahl 3000 min e Untersetzung Getriebe zwischen Rotor und Abtriebswelle 15 33 e Brennstoff bei der Laborubung Diesel andere Brennstoffe wie Kerosin Erdgas m glich e Minimales Luftverh ltnis Imin 14 5 kg Luft kg Brennstoff e Brennkammerdruck 3 bar e Turbineneintrittstemperatur ca 750 C e Abgastemperatur ca 580 C Die den Betrieb betreffenden Kenndaten der Turbine beziehen sich auf den Betrieb bei Volllast und werden bei der Labor bung nur teilweise erreicht Einfacher offener Gasturbinenprozess Die untersuchte Gasturbinenanlage arbeitet nach dem Prinzip des einfachen offenen Gasturbinenprozess Dieser ist eine Realisierung des idealen also verlustlosen J oule Prozess der eine Theorie zur Beschreibung des thermodynamischen Prozesses darstellt Beide Verfahren k nnen in einem T s Diagramm abgebildet werden Darin wird die Temperatur des Arbeitsmediums Luft bzw Rauchgas ber dessen spezifischer Entropie aufgetragen siehe Abbildung 4 Der einfache offene Gasturbinenprozess erfordert drei wesentliche Komponenten die schematisch in Abbildung 3 dargestellt sind den Verdichter V die Brennkammer B und die Turbine T Aus deren Einzelwirkungsgraden und den thermodynamisch
34. an der bung teilnehmenden Studierenden sich auf diese Thematik einlassen werden wird sich zeigen Jedenfalls ist geplant das entsprechende Skript der Labor bung dahingehend zu berarbeiten Das betrifft auch die Kapitel der verwendeten Messtechnik Arbeiten mit der neuen Messtechnik Durch die berarbeitete Messtechnik wird das Ablesen der Ergebnisse w hrend der bung sicherlich einfacher werden Erstens einmal m ssen die Druckdifferenzen der U Rohr Manometer nicht mehr einzeln abgemessen werden sondern die Zahlenwerte k nnen direkt in die Messwerttabelle eingetragen werden Und zweitens werden zum Ablesen der Daten nur mehr ein bis zwei Personen ben tigt was den Prozess an sich vereinfacht Das hat zur Folge dass der ganze Messablauf einfacher wird und weniger Personen sich um den Pr fstand herum bewegen Dies ist der Konzentration und der Aufmerksamkeit der Studierenden sicher f rderlich was sich hoffentlich auf den Lernerfolg niederschl gt Au erdem gibt es dem bungsleitenden eventuell die M glichkeit Vorg nge w hrend des Betriebes besser zu erkl ren was jedoch wegen der L rmentwicklung auch weiterhin nur eingeschr nkt m glich sein wird Vielleicht ergibt es sich auch dass man wegen des einfacheren Ablaufes noch eine zweite Messkurve bei konstanter Drehzahl aufnehmen kann Ein anderer Aspekt bei der Verwendung der neuen digitalen Messtechnik ist dass die physikalische Abstraktion gr er wird Die Ver nderung
35. an einen gew hnlichen Leiter angeschlossen werden und entspricht meist dem Eingang des eigentlichen Messger tes Um nun 51 aber eine zweite Temperaturmessung zu vermeiden gibt es die M glichkeit einer Kompensationsschaltung Schaltung b in Abb 25 Dadurch wird der Einfluss der Temperatur T2 kompensiert und T kann somit direkt gemessen werden 1 Die beschafften Messger te arbeiten nach Schaltung b Die Temperaturmesssonden an sich stellen keinerlei Begrenzung f r den Betrieb dar da deren Maximaltemperatur oberhalb von 1000 C liegt Zu beachten ist jedoch deren bergang zu den Ausgleichsleitungen wo die Temperaturen unter 600 C liegen sollen Weiters ist auch noch anzumerken dass die Thermoelemente eine Grenzabweichung also einen Messfehler von 2 5 K haben Jeweils beide Ger tetypen Thermoelement und Anzeigeger t k nnen bei etwaigen Modernisierungen problemlos weiterverwendet werden Die Anzeigen haben dazu entsprechende Signalausg nge 52 3 4 Anzeige der neuen Messinstrumentierung In diesem Kapitel m chte ich zuerst auf die Anzeigeflache zur Darstellung der thermodynamischen Messgr en eingehen danach auf das Bedienpult und im Anschluss auf die aus Beidem resultierenden Konsequenzen Die Anzeigeflache Im Zuge des Umbaus wurden also insgesamt vier Thermoelemente mit jeweiligen Anzeigen drei Differenzdruckmessgerate mit integrierter Anzeige als auch zwei Absolutdruckaufnehmer mit dazu
36. anzeigen am Steuergerat dargestellt Die einzuhaltenden Betriebsgrenzen der Bremse werden in einem Diagramm angegeben in dem die zulassige Leistung und das zulassige Bremsdrehmoment ber die Drehzahl aufgetragen sind Jeder Betriebspunkt ergibt demnach zwei verschiedene Punkte in dem Diagramm Beide Punkte f r Leistung und Drehmoment m ssen dann unter bzw innerhalb der entsprechenden Maximalkurven sein Insgesamt gibt es jeweils f nf verschiedene Linien die den zul ssigen Betriebsbereich kennzeichnen Sie sind in Abbildung 17 mit den Buchstaben A bis E eingetragen und stellen Folgendes dar A Maximale Leistung bei niedriger Drehzahl da max Spulenstrom B Maximales Drehmoment C Maximal m gliche Dissipation also Energiewandlung in W rme D Maximale Drehzahl E Minimale elektrische Leistungsaufnahme der Bremse kein Spulenstrom nur innere Verluste daNm C age te nn eS SI IE ETIITTEN oth iA FON B I lt M RA a Da T m ne See AN PAAK ETEENI I i SEEN il men Enns ann mmnasiin BPs tN NN rr Set TTTRIN map a AS oh a Ae Sa ED S Te EI NG PUISSANCE LEISTUNG ae timeeeerie A e a POWER zm ti BE ME A a man BMAF ANNIN ono HH A je Ht FF Ht CTE EN nl VELOCITA 04 SPEED Ban DREHZAHL 4 min VITESSE tr min POTENZA Abb 17 Betriebsgrenzen der Wirbelstrombremse Die einzuhaltenden Bereiche sind innerhalb der Linien A bis E 233 3
37. bei konstanter Drehzahl angefahren werden F r jeden davon sollen die entsprechenden Betriebsparameter bestimmt werden Im Anschluss daran sind f r einen Betriebspunkt der Kreisprozess und damit einhergehend die Komponentenwirkungsgrade als auch der thermische Wirkungsgrad des gesamten Prozesses und die abgegebene Leistung zu berechnen Die verschiedenen Wirkungsgrade sollen weiters ber die abgegebene Wellenleistung grafisch dargestellt werden Au erdem sollen die bearbeiteten Betriebspunkte als auch der Auslegungspunkt bei Nennlast in ein Kennfeld eingetragen werden Die Ergebnisse sollen letztendlich in Form eines Protokolls ausgearbeitet und dargestellt werden was f r die Beurteilung der absolvierten Arbeit ma gebend ist Der Hintergedanke der Aufgabenstellung ist dass die verwendete Kleingasturbine nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie wesentlich gr ere Ausf hrungen f r energietechnische Anwendungen Da diese oft zum Antrieb elektrischer Generatoren bei fest vorgegebener Netzfrequenz und damit Drehzahl dienen sollen auch in der bung mehrere Betriebspunkte konstanter Drehzahl und variabler Last untersucht werden az Ablauf der Laborubung Die Labor bung an sich beginnt mit einer allgemeinen Einf hrung Dabei werden das Ziel und die Aufgabenstellung der bung sowie der zu Grunde liegende thermodynamische Kreisprozess besprochen Anschlie end werden die vorliegende Maschine und die darauf angewendete Messinstrument
38. bezogenen Luftmassenstrom der von der Maschine verarbeitet wird aufgetragen Grunds tzlich ist die Maschine f r den gesamten Bereich ausgelegt Aus bereits erw hnten Gr nden ist jedoch der teils empirisch ermittelte gr ne Bereich im unteren Abschnitt des Kennfeldes einzuhalten Jener wird durch die maximale Drehzahl Linie rechts oben die maximale Turbinenaustrittstemperatur Linie links oben die untere Drehzahl Linie links unten und die Leerlaufkennlinie Linie rechts unten festgelegt Im Bild ist oben auch der Auslegungs Betriebspunkt zu sehen f r den die Gasturbine konstruiert worden ist Man sieht dabei wie weit die Maschine im Teillastgebiet gefahren wird 59 igebungsternpefatut K PS Umgebungsdruck bar Tg Turbineneihtrittstemperatul Je f Antriebsdrehzaht timin Druckverhaltnis p p Massenstrom m T p Abb 28 Betriebskennfeld ROVER 1S 60 Der gr ne Bereich im unteren Abschnitt legt den zul ssigen Betriebsbereich des Pr fstandes fest Der blaue Punkt repr sentiert den Auslegungspunkt Konsequenz f r den Betrieb mit der neuen Anlage Grunds tzlich ist es wegen der neuen Bremse g nstiger die Maschine bei mehr als den bisher gefahrenen 2000 mint Abtriebsdrehzahl zu betreiben da die Regelbarkeit der Bremse dann besser ist Dabei sind jedoch bestimmte Betriebsgrenzen zu beachten die sich durch die neue Messinstrumentierung ergeben Konkret bedeutet das dass durch den Mes
39. cation of the Vienna University of Technology 2 Problemstellung Rahmenbedingungen und Ziele der Modernisierung 2 1 Beschreibung der Gasturbinenanlage In diesem Kapitel werde ich zuerst allgemein die Anlage beschreiben ausgew hlte Kenndaten anf hren und dann den Gasturbinenprozess kurz erlautern AnschlieBend werde ich die Bauteile Rotor mit den Laufradern und Bremse besprechen um dann am Ende des Kapitels naher auf die Aspekte des station ren Betriebes und der Betriebssicherheit einzugehen Bei der Gasturbinenanlage sie wird im Weiteren vereinfachend als Gasturbine bezeichnet handelt es sich um eine Kleingasturbine des Typs ROVER 1S 60 Das Baujahr ist 1957 was eine Aufrechterhaltung des Betriebes erschwert da keine Ersatzteile mehr erhaltlich sind Deswegen wird die Maschine in der entsprechenden Labor bung nur in tiefer Teillast gefahren was eine Verl ngerung der Lebensdauer erm glicht Entwickelt wurde die 15 60 f r verschiedene Anwendungen Dazu z hlt der Einsatz als Notstromaggregat Hilfsaggregat in der Luftfahrt GPU APU oder auch zum Antrieb von Feuerl schpumpen Weiters wurde bzw wird sie auch f r Ausbildungszwecke verwendet wie beispielsweise von der TU Wien Bei der Maschine handelt es sich um eine einwellige Gasturbine die nach dem Prinzip des offenen Gasturbinenprozess arbeitet Sie besitzt einen einstufigen Radialverdichter eine einzelne Gegenstrom Brennkammer und eine einstufige Axialturbine Die Well
40. cheiden sich aber Die Spezifikation lautet somit gt 0 1 6 mbar Messbereich gt LCD Anzeige gt Spannungsversorgung DC 11 5 30 V gt Pneumatischer Anschluss 6 6 mm f r flexible Schl uche Age e Recherche und Auswahl f r die Messung von p2 Bei der Suche nach einem geeigneten Ger t f r die Messung des Absolutdruckes nach dem Verdichter habe ich sowohl bei der Firma JUMO einen passenden Druckaufnehmer gefunden als auch nach weiterer Recherche bei der Firma Honeywell Beide Ger te entsprechen den Anforderungen aber aus nahe liegenden Gr nden habe ich mich f r den 4366 Sensor von JUMO entschieden Er weist folgende Spezifikation auf gt 0 2 5 bar absolut Messbereich gt 4 20 mA Signalausgang woraus folgt gt Spannungsversorgung DC 10 30 V gt 1 4 Prozessanschluss f r Schraubanschluss mit berwurfmutter Grunds tzlich sind f r die Absolutdruckmessung nur Messf hler erh ltlich die mit einer passenden Signalanzeige kombiniert werden m ssen Es gibt eben keine Kompaktger te wie bei der Differenzdruck Messung Bei dem Anzeigeger t habe ich mich f r das JUMO di32 entschieden Mit dessen vierstelliger Anzeige ist grunds tzlich auch die gleiche Messgenauigkeit wie bei den bisherigen Messungen m glich Um das vom Aufnehmer kommende Ausgangssignal richtig darzustellen muss die Anzeige jedoch noch entsprechend programmiert werden Auch das Anzeigeger t ist mit einer passenden Gleichstromvers
41. de ich n her im Kapitel 4 2 Auswirkungen der Modernisierung auf den Betrieb eingehen M gliche St rf lle sind in Kapitel 4 4 M gliche St rf lle der berarbeiteten Anlage beschrieben Die Justierung der neuen Ger te wird in Kapitel 4 5 behandelt Beschreibung der neuen Absolutdruck Messger te Zur Messung der beiden Absolutdr cke p2 und p3 wurden jeweils ein Druckaufnehmer und ein Anzeigeger t beschafft Durch den an der Messleitung anliegenden Druck wird im Druckaufnehmer ein elektrischer Strom erzeugt der dem Druck proportional ist Dieses Signal hat zwischen 4 und 20 mA und wird im Anzeigeger t verarbeitet Das Anzeigeger t muss dann noch programmiert werden um den dem Signal entsprechenden Druck anzuzeigen Urspr nglich war es gedacht die Absolutdr cke in der Einheit bar anzuzeigen Da aber nur zwei Nachkommastellen am Anzeigeger t dargestellt werden k nnen ist es besser die Einheit mbar zu w hlen Damit wird die Messung auf 1 mbar genau angezeigt 48 Das beim Druckaufnehmer verwendete physikalische Messprinzip lautet Dunnfilm DMS Prinzip Wie der Name schon sagt werden dabei s g Dehnmessstreifen DMS verwendet DMS werden auf mechanisch belastete Bauteile aufgeklebt um Verformungen und damit indirekt mechanische Spannungen zu messen Bei der Verformung der DMS kommt es zu Langen und Querschnitts nderungen des Messdrahtes was eine Ver nderung des elektrischen Widerstandes bewirkt Auf diesen kann
42. der Bremse Stromversorgung von Bremse Netzger t und t4 Messger t 2 1 1 Stecker Steckdosen Kraftstoffhaupthahn Absperrventil der lk hlung 65 Br 1 Br 2 Br 3 Br 4 Br 5 Br 6 Br 7 Bremsmess und Bremssteuerger t mit folgenden Bedienelementen und Anzeigen Netzschalter Anzeige f r Drehzahl Drehmoment und Leistung Warnanzeige f r Wasserdruck Wassertemperatur interne Elektrik und Uberdrehzahl Aufz hlung von oben nach unten Anzeige f r Bremsmodus konstante Drehzahl Wahlschalter f r Betriebsmodus Einstellung der Uberdrehzahl Einstellung der Bremslast 66 Anz 1 Anz 2 Anz 3 Anz 4 Anz 5 Anz 6 Anzeigetafel mit folgenden Bedienelementen und Vorrichtungen Stromversorgung f r die tz Messung Zugang zu Brennstoffbeh lter mit Tankschraube Zugang zu Kraftstofff rderpumpe wei er Kasten Schalter f r Kraftstofff rderpumpe Tank Kraftstoffventil des Tanks 67 1 Einen Tag vor Inbetriebnahme gt gt 12V Batterie f r Starter und Z ndung laden Ladeger t an AC 220V Klemmen an Batterie anschlie en Rot zu Kontrolle ob die Verschlussblende des Abgaskanals ge ffnet ist ggf ffnen 2 Unmittelbar vor Inbetriebnahme gt gt Ladeger t der Batterie entfernen 1 2 Stunde vor Betrieb Ventil der Wasserk hlung gt Ri ffnen ggf Reinigung des Filters Ventil gt R1 schlie
43. e Beschreibung der ausgew hlten Ger te werde ich dann genauer im nachfolgenden Kapitel Beschreibung der beschafften Messger te eingehen Am Ende dieses Kapitels werde ich noch zusammenfassend die aus dem Analyse und Auswahlprozess resultierende Bestellung anf hren Grunds tzlich werden Messger te gesucht deren Anzeige auf der bereits vorgestellten Anzeigetafel montiert werden soll Es handelt sich dabei also um so genannte Einbaumessger te Diese Einbaumessger te sollen f r die Teillast Betriebsbereiche der ROVER 15 60 geeignet sein und den oben geforderten Betriebsbedingungen entsprechen Um in Zukunft jedoch eine gute Regelbarkeit der Wirbelstrombremse zu erreichen ist es ratsam etwas h here Drehzahlen bis etwa 2400 min zu fahren Dadurch vergr ert sich der von den Messger ten abzudeckende Messbereich was ich bei der weiteren Auslegung der Messbereiche berschlagsm ig ber cksichtigen werde Eine weitere Anforderung ist dass alle f nf Druckmessger te sowie die vier Temperaturmessger te mit der gleichen elektrischen Versorgung betrieben werden k nnen Das spart Montagearbeit Material und ist auch beim Betrieb einfacher zu handhaben Als insgesamt beste und auch umsetzbare L sung hat es sich nach Recherche der verschiedenen Ger te erwiesen alle neuen Ger te an den gerade neu installierten 24V Gleichstromkreis der Gastturbine anzuschlie en Deswegen wurde bei der Auswahl auf diesen von mehreren m glichen elekt
44. e Probleme durch Nachschlagen in den Betriebsanleitungen nicht zu beheben so sollte man bei der Lieferfirma der Bremse Kristl Seibt aus Graz nachfragen oder sonst beim Hersteller borghi amp saveri in Italien Mogliche Storfalle der Messgerate Da es nicht nur einen Typ von neuem Messgerat gibt muss auch hier unterschieden werden zwischen dem Typ des Messgerates Dementsprechend differenziere ich nach Differenzdruck Messgerat Absolutdruck Messaufnehmer und Anzeige als auch Temperaturf hler und dessen Anzeigegerat Fur das einwandfreie Funktionieren ist es ebenfalls erforderlich dass die Gerate entsprechend den Betriebsanforderungen betrieben werden Abgesehen von der Kalibrierung sollten dann keine weiteren Eingriffe n tig sein Ist dem nicht der Fall so sollte der Hersteller JUMO Mess und Regelger te GmbH in sterreich oder die Mutterfirma in Deutschland kontaktiert werden Im Folgenden wird daher nur auf warnende Hinweise beim Betreiben eingegangen Die Kalibrierung wird hier nicht thematisiert siehe S 74 Differenzdruck Messger te e Beide bestellte Ausf hrungen haben einen sehr kleinen Messbereich und sind daher entsprechend druckempfindlich Es sollte daher nicht in die Druckanschl sse geblasen werden bzw die Messmembran darf nicht ber hrt werden e Die Ger te sind nur f r nicht aggressive Medien geeignet Es ist daher ratsam beim Abgasdruckmessf hler die Luftleitungsl nge wegen m glicher An
45. e ist auf der vorderen Seite des Turbinenlaufrades mit einem Rollenlager gelagert fliegende Lagerung und auf der Vorderseite des Verdichterlaufrades mit einem Kugellager das die entstehenden Axialkr fte aufnimmt 2 Die Welle mit dem Verdichter und dem Turbinenlaufrad ist in Abbildung 1 zu sehen Abb 1 Der Gasturbinenrotor mit Verdichter und Turbinenlaufrad 2 8 Auf der vorderen Seite des Verdichtergeh uses sind der Lufteinlass der Verdichterdiffusor und die Brennkammer befestigt Zwischen Verdichter und Turbinengeh use befindet sich das Zwischengeh use das den Verdichter gegen Luftaustritt an der rotierenden Welle abdichtet und das turbinenseitige Lager abst tzt Das Zwischengeh use und das Turbinenlager sind durch einen K hlkanal vor zu gro er W rmeeinwirkung gesch tzt der axiale Turbinendiffusor durch einen Hitzeschild Die Geh usebauteile bestehen aus Aluminiumguss Um das Verdichtergeh use herum angeordnet befinden sich das Untersetzungsgetriebe das die Abtriebswelle treibt als auch die einzelnen Hilfsaggregate wie Kraftstoffzufuhr lpumpe und lfilter Die zu deren Antrieb erforderliche Energie wird ber ein weiteres Untersetzungs Getriebe von der Abtriebswelle zugef hrt Zu erkennen ist der Aufbau der Maschine in Abbildung 2 Abb 2 Kleingasturbine ROVER 1S 60 2 Die f r den Betrieb ben tigte Frischluft wird ber eine Rohrleitung mit entsprechender Messinstrumentierung aus der Maschinenh
46. eden Als Alternative habe ich es nach Absprache mit Prof Willinger vorgezogen die Messung des Differenzdruckes umzuwandeln in eine Messung beider Absolutdr cke Schlie lich gilt Ap23 p2 P3 Der Absolutdruck p2 wird ohnehin gemessen also m sste noch der Absolutdruck p3 hinter der Brennkammer ermittelt werden Mit der Differenz der beiden kann dann der f r die Auswertung gesuchte Druck Ap23 gebildet werden Da die Anforderungen die gleichen sind wie bei der p2 Messung k nnte man die zwei bereits erw hnten Ger te doppelt bestellen was f r die Bestellung Montage und Inbetriebnahme ein gro er Vorteil ist Bei diesem Ansatz entsteht aber folgendes Problem der Messgenauigkeit Die bisherige Messung wurde in mmWS durchgef hrt 1 mmWS entspricht dabei 0 1 mbar und damit 0 0001 bar Da sich jedoch die Genauigkeit der neuen Druckaufnehmer im mbar Bereich bewegt und au erdem alle angebotenen JUMO Anzeigen vierstellig sind w rde es zu einer um eine Gr enordnung geringeren Messgenauigkeit kommen Mit anderen Worten Anstatt mm Wassers ule w rden nur mehr cm Wassers ule gemessen werden Nun ist es aber so dass es auch bei station rem Betrieb der Turbine immer zu erw hnenswerten Druckschwankungen um die Brennkammer herum kommt was in den Laborprotokollen der letzten Jahre ersichtlich ist Diese Schwankungen sind in der Gr enordnung von 10 mmWS Druck was etwa der Messungenauigkeit entspricht die
47. edlichen Messergebnissen f hrt 80 AuBerdem wird bei der Temperaturmessung um die Brennkammer mit einer radialen Stufung bei der Messung gearbeitet e Fachhochschule Osnabr ck Deutschland 6 Hier wird eine Industrie Kleingasturbine verwendet Das Besondere dabei ist dass diese bei der Ubung sowohl als Flugtriebwerk als auch als station re Gasturbine gebraucht wird was durch einen kleinen Umbau erm glicht wird e Cranfield University U K 7 Hier wird eine Kleingasturbine von Modellflugzeugen verwendet die zu einem Pr fstand umgebaut wurde Dieser wird nicht nur f r die Lehre sondern auch zu Forschungszwecken gebraucht Ein Schwerpunkt ist es die praktischen Ergebnisse mit entsprechender computergest tzter Modellierung CFD zu vergleichen Au erdem ist geplant die Maschine mit einem Nebenstrom und dem dazu erforderlichen Fan zu betreiben Selbstverst ndlich ist der Umfang der m glichen Arbeiten sehr eng an die finanziellen Bedingungen der Ausbildungseinrichtung gekn pft M gliche Ma nahmen zur weiteren Modernisierung Betrachtet man nun den ROVER Gasturbinenpr fstand so ergeben sich u a folgende M glichkeiten der Modernisierung e Elektronische Betriebssteuerung Durch einen elektronisch gesteuerten Servomotor kann die Brennstoffzufuhr per Mausklick gesteuert werden Au erdem kann auch die Bremse ber eine externe Steuerung betrieben werden Daraus folgt dass beide Betriebsparameter von einem PC aus be
48. en Filter gt R2 abschrauben reinigen und anschrauben Ventil gt R1 erneut ffnen Wasserdruck der Bremsk hlung pr fen gt Ri ca 2 5 bar Schmier lstand kontrollieren R ckseite zwischen Ansaugkasten und Thermoelement Messstab pr fen Feuerl scher bereitstellen Stromversorgung Bremse 2 mal blaue Stecker gt R3 in Steckdosen gt R4 Stromversorgung Netzger t elektr Hilfssysteme 1 wei er Schukostecker gt R3 in Steckdose gt R4 Stromversorgung Abgastemperaturmessung 1 schwarzer Stecker gt R3 in Steckdose gt R4 Bremsmess und Bremskontrollger t gt Br 1 einschalten Hauptschalter f r Batterie gt V1 mit Schl ssel einschalten Stromversorgung t2 Messgerat gt Anz 1 einschalten Tankschraube bei gt Anz 2 ffnen Stromversorgung der Kraftstoffpumpe gr ner Knopf gt Anz 3 einschalten Ggf Betanken des Tanks Anz 5 Kraftstoffpumpe gt Anz 4 einschalten Kraftstoffventil gt Anz 6 ffnen dann schlie en Pumpe gt Anz 4 ausschalten Kraftstoffhaupthahn gt R5 ffnen Bremseinstellungen Modus n k gt Br 5 einstellen Grenzdrehzahl gt Br 6 auf 2400 U min Bremsdrehzahl gt Br 7 auf gt 3000 U min Warnanzeige der Bremse gt Br 3 kontrollieren Not Aus checken Magnetventil von Brennstoffzufuhr gt V5 senkrecht stellen gt muss stehen dann Not Aus gt V2 dr cken gt Ventil V5 muss sich l sen und damit schlie en Not Aus Schalter gt V2 wieder l sen
49. en Prozessdaten kann ein thermischer Wirkungsgrad f r den gesamten Prozess berechnet werden der die G te der Energiewandlung beschreibt Diese wird aber auch von anderen Komponenten wie Luftansaug und Abgasleitung Schalld mpfer als auch dem Generator G beeinflusst 10 Der Kreisprozess l uft nach folgendem Prinzip ab Aus der Umgebung Zustand 0 wird Luft angesaugt die im Verdichter auf einen bestimmten Druck gebracht wird 1 2 Die Luft wird dann in der Brennkammer durch die Verbrennung eines Brennstoffes bei konstantem Druck erhitzt 2 3 und in der Turbine entspannt 3 4 Anschlie end wird das Rauchgas an die Umgebung abgegeben was den offenen Prozess kennzeichnet An der Turbine wird dabei mehr Arbeit verrichtet als zum Antrieb des Verdichters ben tigt wird Diese Mehrarbeit kann beispielsweise in einem Generator in elektrische Energie gewandelt werden Aus praktischen Gr nden wird aber bei der Labor bung die Mehrarbeit der Turbine mit einer Bremse abgef hrt und dabei in W rme umgewandelt B amp Abb 3 Vereinfachtes W rmeschaltbild einer einfachen offenen einwelligen Gasturbinenanlage mit Generator 2 Fr pur pe Q re spez Entropie s Abb 4 T s Diagramm des einfachen offenen Gasturbinenprozess 2 Als Im idealen Joule Prozess l uft die Verdichtung 1 2s genauso wie die Entspannung 3 4s isentrop also verlustlos ab Die zwei Zustands nder
50. end sind stellt f r die sich darin bildenden Wirbelstr me einen elektrischen Widerstand dar Infolge dessen kommt es zu einem Spannungsabfall und damit zu einer W rme Entwicklung im Material Diese muss bei der Leistungsbremse was beim Gasturbinenpr fstand der Fall ist durch eine K hlung abgef hrt werden w hrend es beim Schienenverkehr zu einer Aufheizung der Schienen kommt Insgesamt wird also die mechanische Energie ber elektrische Energie in innere Energie also W rme dissipiert Die Bremswirkung ist zusammenfassend gesagt von folgenden Einflussgr en abh ngig Elektrische Leitf higkeit der Bremsscheibe Gr e des Luftspaltes Form der Bremsscheibe und des Magneten Spulenstrom im Magnet Relativgeschwindigkeit v zwischen beiden K rpern gt 31 Fur den Betrieb sind die Relativgeschwindigkeit und der Spulenstrom relevant Je gr er v desto gr er ist die m gliche Bremswirkung die wiederum ber den Spulenstrom als Stellgr e eingestellt werden kann Vorteile beim Betrieb einer Wirbelstrombremse sind Gute Regelbarkeit Kleine Baugr e Zur Leistungsmessung geeignet Kein Verschlei an Bremsfl chen Die Nachteile lauten e Esist nur ein passiver Betrieb kein Schleppbetrieb m glich e Die W rme muss durch ein zus tzliches Aggregat abgef hrt werden Betriebsanforderungen und Betriebsbereich der FE 150 S F r den Betrieb der Wirbelstrombremse sind grunds tzlich ein elektrischer Anschluss u
51. essbohrung am Turbinenaustritt vier von denen zuletzt aber nur eine verwendet wurde Dieses Potential wird bei der Modernisierung genutzt womit man dann auch den Einfluss der instation ren Turbinenanstr mung untersuchen kann Die Messbohrungen sind alle so ausgef hrt dass das Einsteck Thermoelement Sonde mit zwei symmetrischen Klemmen festgehalten wird und durch diese radial gesichert mit einer berwurfmutter am Turbinengeh use verschraubt wird Abb 13 Der Str mungskanal in dem sich die Sonde befindet ist au en durch den Zylinder des Abgaskanals und innen durch den Konus des Diffusors begrenzt siehe auch Abb 2 Dazwischen befindet sich die Messsonde in radialer Stellung dazu Bei der Temperaturmessung in str menden Medien wird mit Sonden immer die Eigentemperatur T gemessen Diese befindet sich betragsm ig zwischen der h heren Totaltemperatur Tges und der niedrigeren statischen Temperatur Tsta Der Zusammenhang zwischen diesen beiden Temperaturen und der Eigentemperatur wird ber den s g Recovery Faktor r hergestellt dessen Wert immer zwischen 0 und 1 liegt Die Eigentemperatur kann somit als die Summe aus einem statischen und einem dynamischen Anteil dargestellt werden 1 Te Tsa tr u 2 Cp Dabei ist u eine gemittelte Anstr mgeschwindigkeit und c die spezifische W rmekapazit t des Gases ist Bei Geschwindigkeiten unter 40 m s wovon bei beiden Temperaturmessstellen der Maschine ausgegangen werden kan
52. f Grund der Betriebsgrenze der Gasturbine wird diese Temperatur jedoch kaum berschritten werden ieee 4 5 Kalibrierung und Justierung der neuen Messgerate In diesem Kapitel werde ich zuerst auf die Begriffe Kalibrieren und Justieren eingehen und im Anschluss auf deren praktischen Vollzug bei den neuen Druck und Temperaturmessger ten des Pr fstandes Kalibrieren bedeutet dass bei einem Messgerat der Zusammenhang zwischen Ausgangs und Eingangsgr e ohne technische Eingriffe festgestellt wird Bei Ger ten mit Anzeige wird demnach die Abweichung zwischen dem angezeigten Wert und einem Referenzwert ermittelt 3 Da dieser Referenzwert f r den richtigen Wert gehalten wird muss bzw sollte dieser einem gewissen Standard entsprechen Ziel des Kalibrierens ist lediglich das Feststellen und Dokumentieren der Messabweichung Mit dem Kalibrieren ist in der Praxis oft auch das Justieren eingeschlossen J ustieren bedeutet dass ein Messger t so eingestellt wird dass die Ausgangsgr e von der richtigen Gr e so wenig als m glich abweicht bzw in einem bestimmten zul ssigen Fehlerintervall liegt Dazu ist ein Eingriff in das Messger t erforderlich der das Ger t im Allgemeinen bleibend ver ndert 3 Somit folgt die Justierung der Kalibrierung eines Messger tes Im Weiteren werde ich den gesamten Vorgang lediglich als Justierung bezeichnen Au erdem werde ich nur auf die Justierung der neuen Einbau Messger te eingehen al
53. ge bis die gew nschte Betriebsdrehzahl erreicht wird Ein Betriebspunkt wird jedoch von der Bremsseite aus betrachtet nicht nur durch die Drehzahl sondern auch durch einen zweiten Parameter wie Bremsleistung oder Bremsdrehmoment festgelegt Um nun einen bestimmten Punkt bei gegebener Drehzahl mit der Maschine genau anzufahren muss man also Brennstoffzufuhr und Soll Drehzahl wechselseitig korrigieren so lange bis der gew nschte Betriebspunkt erreicht bzw ann hernd erreicht wird Da die Wirbelstrombremse nicht im optimalen Betriebsbereich gefahren wird der bei wesentlich h heren Drehzahlen als 2000 min liegt ist deren Regelbarkeit umso besser je schneller die Maschine l uft Grunds tzlich kann man aber sagen dass die neue Bremse eine zufrieden stellende L sung f r den weiteren Betrieb des Pr fstandes darstellt Auswirkungen auf den station ren Betrieb Im station ren Betrieb k nnen durch die neue Bremse und deren Kontrollger t die Bremsparameter Drehzahl Bremsmoment als auch Bremsleistung direkt abgelesen werden Zus tzlich wurde noch eine Anzeige f r die Abgastemperatur beim Bedienpult installiert Ist die Gastemperatur zu hoch muss die Brennstoffzufuhr zur ck genommen werden Durch diese vier neuen Anzeigen wird der Betrieb an der Maschine erleichtert In Abbildung 28 ist das Betriebskennfeld der Gasturbine zu sehen Dabei ist das vom Verdichter erzielte Druckverh ltnis ber einen auf den Umgebungszustand
54. geh rigen Anzeigegeraten angeschafft Wie bereits erwahnt ist es nun das Ziel alle Messdaten abgesehen von den Daten des Bremsmessgerates auf einer Anzeigeflache ablesen zu k nnen Das Ergebnis sieht nun folgenderma en siehe Abb 26 aus Abb 26 Anzeigefl che des Gasturbinenpr fstandes mit berarbeiteter Messinstrumentierung ee Das Konzept einer zentraleren Darstellung konnte also umgesetzt werden Abgesehen von den Messdaten der Anzeigeflache verbleibt noch das Ablesen der von der Bremseinheit gemessenen Gr en Warum wurden nun die einzelnen Anzeigen wie oben zu sehen montiert Ziel war es das Auffassungsverm gen der Studierenden w hrend der Labor bung zu unterst tzen Da w re es eine M glichkeit gewesen die Messdaten entsprechend dem thermodynamischen Kreisprozess in der Reihenfolge wie ihn das Arbeitsmedium durchl uft anzuordnen Da dies aber aus Montagegr nden schwer umsetzbar w re und au erdem eine insgesamt verwirrende Anordnung der einzelnen Ger te ergeben w rde habe ich mich f r eine andere L sung entschieden Ich wollte die einzelnen Typen von Messgr en also Differenzdr cke Absolutdr cke und Temperaturen jeweils matrixf rmig anordnen Dadurch ist eine strukturierte und optisch ansprechende Darstellung gegeben was auch einem schnellen Auffassen der angezeigten Messwerte entgegen kommen d rfte Weiters sind die einzelnen Anzeigen noch mit einer Beschriftung versehen damit die
55. gen wird der Differenzdruck zwischen der Umgebung und Messstelle gemessen weswegen immer nur ein Anschluss belegt ist Ferritkern Ferritzylinder Sekundarspule SS1 Prim rspule PS1 Sekund rspule S52 CuBe Membran Abb 24 Schnitt durch einen induktiven Druckaufnehmer b Beim Sensor der Messger te handelt es sich um einen induktiven Druckaufnehmer nach dem Differentialtauchankerprinzip DTA Durch die Differenz der anliegenden Dr cke p und p2 wird die CuBe Membran und mit ihr der Ferritkern verschoben Dieser befindet sich in mehreren Spulen einer Messbr cke deren Induktivit t sich in Folge der Hubbewegung ndert Daraus resultiert eine Ausgangsspannung Ua an der Messbr cke mit der man auf die Membranauslenkung x schlie en kann 3 Kennt man nun noch die Federkonstante kr der Membran so kann man mit den beiden Gr en nach dem Federgesetz Fr kr x die auf die Membran wirkende Kraft Fr berechnen und bei Kenntnis der Membranoberfl che Am den darauf anliegenden Druck Api2 p2 p1 Fr Am Schematisch dargestellt ist ein induktiver Druckaufnehmer in Abbildung 24 Neben der LCD Anzeige besitzen alle drei Ger te obligatorisch auch einen elektrischen Ausgang Hier habe ich bei der Bestellung darauf geachtet einen Signalausgang von 4 bis 20 mA beim jeweiligen Messbereich 0 25 bzw 0 1 6 mbar zu haben Damit ist ebenfalls eine problemlose Integration der Messger te in einen halb bzw vollaut
56. he Angebot am Markt bestimmt Ein Vorteil von M glichkeit 2 ist jedoch dass die damit erzielbare Messgenauigkeit wesentlich h her ist als bei der ersten M glichkeit Ein Ger t das beispielsweise f r den Messbereich zwischen O und 10 mbar ausgelegt ist wird sicherlich genauer arbeiten als ein anderes Ger t im selben Messbereich das f r 0 bis 30 mbar ausgelegt ist Voraussetzung f r einen schadfreien Betrieb ist jedoch dass bestimmte Betriebsbereiche und damit Drehzahlen mit der angeschlossenen Messtechnik nicht gefahren werden Ein weiterer und letztlich ma gebender Aspekt bei der Auswahl der Messtechnik war der der gesamten Lebensdauer des Pr fstandes W rde man die Maschine h her belasten ist die Wahrscheinlichkeit f r ein Gebrechen wesentlich h her Und da wie bereits erw hnt Ersatzteile nicht mehr verf gbar sind w re das das Ende des Pr fstandes Insofern habe ich mich nach Absprache mit Prof Willinger f r die Auslegung entsprechend der zweiten M glichkeit entschieden Die Messinstrumentierung wird darauf ausgelegt im Teillastbereich bei vergleichsweise guter Messgenauigkeit zu arbeiten Konsequenz daraus ist dass ein vorgegebener Betriebsbereich eingehalten werden muss de Recherche und Auswahl der benotigten Messgerate Im Folgenden m chte ich zuerst allgemein auf die Recherche Auswahl und sonstige Rahmenbedingungen der Beschaffung eingehen und danach erst auf die einzelnen Messapplikationen Auf di
57. hend den Apo4 Messungen nicht zu rechnen 40 Betriebsphilosophie Auch wenn die Betriebsphilosophie auf den ersten Blick wenig relevant f r den Anschaffungsprozess zu sein scheint hat jene doch einen entscheidenden Einfluss auf die Auswahl der zu bestellenden Messgerate Mit Betriebsphilosophie meine ich die Art und Weise wie der behandelte Pr fstand betrieben wird Es gibt im Fall des ROVER 1S 60 Prufstandes zwei grunds tzliche M glichkeiten bei der Auslegung der Messinstrumentierung 1 Auslegung der Messinstrumente so dass alle m glichen Betriebspunkte damit erfasst werden k nnen 2 Auslegung der Messinstrumente so dass nur Betriebspunkte in einem bestimmten Bereich erfasst werden k nnen Volllast kann dabei nur ohne Messinstrumentierung gefahren werden Beide M glichkeiten haben dabei Vor und Nachteile die haupts chlich mit der Druckmesstechnik zu tun haben Die M glichkeit 1 hat sicherlich den Vorteil dass es keine l stigen und daher bei Betrieb zu beachtenden Einschr nkungen gibt Jeder Punkt kann von der Messtechnik aus betrachtet problemlos angefahren werden Ein Nachteil w re jedoch dass die Suche nach geeigneten Differenzdruck Messger ten sehr schwierig w re weil die m glicherweise auftretenden Dr cke gr er sind als die die in der L ftungstechnik ma gebend sind Und Differenzdruck Messger te werden haupts chlich f r den Einsatz in der L ftungstechnik entwickelt und gebaut was das erh ltlic
58. ibt kann damit und mit der Bremskraft die umgesetzte effektive Bremsleistung berechnet werden 2 Abb 6 Momentengleichgewicht an der Wasserwirbelbremse 2 Bei entsprechender Wahl des Hebelarmes R und einer Umformung ergibt sich aus dem Momentengleichgewicht siehe Abb 6 folgende Beziehung fur die Bremsleistung ee Per Mwn 1000 kW Die Gr e my ist dabei die mittels Hebel einstellbare Bremslast Sie entspricht einem auf die Wiegevorrichtung wirkenden Gewicht und wird daher in kg angegeben Dies war bisher f r die Bedienung der Gasturbine Last der einzelnen Arbeitspunkte so wie f r die Auswertung der Messergebnisse relevant Bei Per wird deshalb von der effektiven Bremsleistung gesprochen da die auf die Turbine wirkende Bremsleistung wegen der Lagerreibung der Gasturbinenwelle und der Abtriebswelle der Getriebeverluste als auch der angetriebenen Hilfsaggregate h her ist als die tats chlich an der Bremse gemessene Bremsleistung Station rer Betrieb Aufgabe des Betriebstechnikers ist es nach dem Hochfahren der Turbine mehrere station re Betriebspunkte anzufahren Ein station rer Betriebspunkt ist dann erreicht wenn die Antriebsleistung der Turbine gleich gro ist wie die gesamte Bremsleistung der Maschine so dass sich eine konstante Drehzahl einstellt Dabei erreichen die Dr cke und Temperaturen des Arbeitsmediums in den einzelnen Komponenten ann hernd konstante Werte Voraussetzung daf
59. ie Bremse dann gespeist wird um so die geforderte Bremslast bereit zu stellen Funktionsweise einer Wirbelstrombremse Eine Wirbelstrombremse basiert auf der berlagerung und Wechselwirkung von Magnetfeldern wenn sich ein ferromagnetisches Material wie beispielsweise Eisen mit einer Relativgeschwindigkeit an einem Magnetfeld vorbei bewegt Ob sich nun der Magnet am ferromagnetischen K rper vorbei bewegt oder umgekehrt ist dabei nicht relevant Deswegen und auf Grund mangelnder Dokumentation der FE 150 S und dem Fehlen sonstiger Unterlagen zu Wirbelstrom Leistungsbremsen verwende ich zur Erl uterung des Bremsprinzips das Schema einer Schienenfahrzeug Wirbelstrombremse a Es gibt dabei zwei grunds tzliche Verschiedenheiten wobei das physikalische Prinzip analog ist Erstens Bei der Leistungsbremse bewegt sich der zu bremsende K rper am stehenden Magneten vorbei was beim Schienenfahrzeug umgekehrt ist Und zweitens Die beiden miteinander wechselwirkenden K rper weisen in der Ebene der Relativgeschwindigkeit eine Kr mmung auf Das bedeutet Aus der Schiene wird bei der Leistungsbremse eine Bremsscheibe und aus dem quaderf rmigen Magneten wird ein kreisrunder Magnet in dem die Bremsscheibe rotiert Im Folgenden werde ich das Bremsprinzip m glichst allgemein erkl ren Beim Bremsen wird der Magnet durch das Zuschalten elektrischer Spulen bet tigt Da am Magneten mehrfach Nord und S dpole hintereinander angeordnet sind en
60. ierung erkl rt Dazu geh ren u a die Blendenmessung zur Bestimmung des Luftdurchsatzes in der Maschine als auch die einzelnen Verfahren zur Druck und Temperaturmessung Noch vor Beginn des Maschinenbetriebes ist eine Sicherheitseinweisung erforderlich Eine Besprechung m glicher St rf lle das Hinweisen auf die bestehenden Notausg nge so wie das Bereitstellen eines Feuerl schers geh ren dazu Au erdem sollten die Abl ufe und die Arbeitsaufteilung der Studierenden noch vor dem Anfahren gekl rt werden da eine verbale Verst ndigung w hrend des Betriebes wegen der L rmentwicklung sehr schwierig ist Dann erst wird die Maschine in Betrieb genommen Es folgt die erforderliche Anfahrprozedur und das Hochfahren der Maschine entlang der Leerlaufkennlinie Eine vorher vereinbarte konstante Drehzahl wird dann angefahren und bei Erreichen dieser wird die Bremseinheit zugeschaltet Durch die Variation von Brennstoffmenge und Bremslast k nnen nun verschieden Betriebspunkte eingestellt werden Nach dem Erreichen eines Solchen wird die Maschine einige Minuten im Beharrungszustand belassen es werden also keine Ver nderungen an der Bremslast und der Brennstoffmenge vorgenommen so dass sich ein station rer Betriebszustand einstellen kann Das bedeutet dass nun die gemessenen Zust nde wie Temperatur Druck und Drehzahl ann hernd konstant bleiben Erst dann werden die Messergebnisse aufgenommen Dies geschieht also f r vier verschiedene Bet
61. ige Aufwand recht gering sein Bei der Bremseinheit sind drei Komponenten wartungsrelevant e Die Bremslager sollen alle 500 Betriebsstunden berpr ft und geschmiert werden Siehe dazu Instruction Manual S 40 1 e Ebenso ist der K hlkreislauf der Bremse nach 500 Stunden zu reinigen Siehe dazu Instruction Manual S 30 1 e Weiters sind die Labyrinthdichtungen der Welle regelm ig zu reinigen da es sonst zu berhitzung und Verformungen kommen kann Siehe dazu Instruction Manual S 30 1 e Bei sonstigen Problemen ist im Instruction Manual S 50 16 bei der Fehleranalyse nachzuschlagen F r einen st rungsfreien Betrieb ist Voraussetzung dass die geforderten Betriebsbedingungen eingehalten werden Dazu geh ren die bereits im Kapitel 3 1 angef hrten Kriterien Die Maschine soll selbstverst ndlich sauber und staubfrei gehalten werden Die Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit sollten die geforderten Grenzwerte nicht berschreiten Kommt es jedoch trotzdem zu Problemen so werden diese durch vier Alarmfunktionen orange Leichtdiode am Bremskontrollger t angezeigt Es sind dies Alarm f r den K hlwasserdruck Alarm f r die K hlwassertemperatur Alarm f r die interne Elektrik Alarm f r berdrehzahl Die anderen Leuchtdioden dienen zu Visualisierung des eingestellten Bremsmodus Bei sonstigen St rungen des Bremssteuer und Kontrollgerates verweise ich auf die zwei betreffenden Betriebsanleitungen Sind etwaig
62. issioning of the new eddy current brake was supported although the acquisition of the brake was no topic of the thesis An achievement of the thesis was the concept for new measuring equipment It includes an analysis of the required gauges which resulted in the acquisition A further part of the concept was the improvement how measurements are displayed according to technical and educational reasons Furthermore an operation manual for the testbed was made to safely operate the engine At the end of the thesis proposals were made for future upgrades At last the thesis was finished by the commissioning of the upgraded gas turbine testbed It will be used for the oncoming laboratory tutorial 85 6 Anhang 6 1 Bibliographie 1 Nitsche Wolfgang Str mungsme technik Berlin Springer Verlag 1993 ISBN 3 540 54467 4 R Willinger Unterlagen zur Labor bung Gasturbinenkennlinie ROVER 1S60 2 Oktober 2007 TU Wien H Springer J Wassermann Skriptum zur Vorlesung Messtechnik 2 Auflage Oktober 2004 TU Wien L onard J P Thomas S Borguet Ten Years Of Experience With A Small Jet Engine As A Support For Education Proceedings of ASME Turbo Expo 2008 GT 2008 50172 T Witkowski S White C Ortiz Duenas P Strykowski T Simon Characterizing The Performance Of The SR 30 Turbojet Engine University of Minnesota 2003 R G Schmidt Energietechnik Praktikum Messung an einem Gasturbine
63. lagerungen nicht zu verkleinern jetzt ca 7 m e Die berlastgrenze ist bei beiden Typen durch den 5 fachen Messendwert gegeben Das sind f r das Apo4 Gerat 8 mbar und bei den beiden anderen Ger ten 125 mbar zuz glich des Umgebungsdruckes Diese Werte d rfen bei Betrieb nicht berschritten werden e Die Kalibrierung darf nur gem der Betriebsanleitung durchgef hrt werden 72 Absolutdruck Messaufnehmer und Anzeige Bei den beiden Absolutdruckaufnehmern durfte es zu keinen Problemen kommen Sie sind sehr robust ausgelegt und die Uberlastgrenze von 7 5 bar absolut kann von der Maschine nicht erreicht werden Zu beachten ist e Der Messbereichsendwert betragt 2 5 bar absolut Bis zu diesem Wert sind die Messergebnisse zul ssig e Die Messmembran ist empfindlich Sie sollte nicht ber hrt werden und es darf nicht in den Druckanschluss hinein geblasen werden Grunds tzlich kommt es an den zwei Druckmessstellen zu vergleichsweise gro en Druckschwankungen bei der Last nderung Diese sind aber dennoch im mbar Bereich und deswegen f r die Messger te kein Problem Am Anzeigeger t sind keine St rf lle zu erwarten Temperaturfuhler und Anzeige Bei den Thermoelementen als auch bei deren Anzeige sind nach dem Einbau und korrekten Anschluss keinerlei St rf lle zu erwarten Wird die empfohlene Einsatztemperatur von 600 C berschritten so vergr ert sich lediglich der Messfehler kontinuierlich Au
64. leich zum letzten Punkt der Betrachtung Neue Ideen durch das Arbeiten mit dem Pr fstand Der modernisierte Pr fstand bietet wie jede Labor bung auch die Chance neue Ideen zu entwickeln Dies kann zur Ausarbeitung neuer Diplom oder Bachelorarbeiten f hren wie auch zu weiteren Modernisierungsschritten Ein solches Thema w re zum Beispiel wie sich die die Fehlerfortpflanzung an einem Messpunkt auf das Gesamtergebnis auswirkt wenn man durch neue Messger te an Messgenauigkeit gewinnt oder verliert Diese Fragestellung hat sich eben im Zuge der neuen Druckverlustmessung um die Brennkammer ergeben 79 4 7 Potential zur weiteren Modernisierung In diesem Kapitel geht es um m gliche weitere Modernisierungsschritte des Pr fstandes Bevor ich jedoch auf einzelne M glichkeiten fur die hier behandelte Anlage eingehe m chte ich zuerst einen kurzen Blick auf hnliche Labor bungen anderer Hochschulen weltweit werfen Dadurch bekommt man einen guten Eindruck was generell bei Pr fst nden dieser Art m glich ist und es f rdert das Reflektieren der hier behandelten Labor bung Au erdem kann ein Blick nach Au en inspirierend sein was die m gliche weitere Modernisierung betrifft Betrachtung hnlicher Labor bungen anderer Hochschulen Bei der Recherche von Gasturbinenpr fst nden die von Hochschulen f r Ausbildungszwecke verwendet werden habe ich eine gro e Vielfalt an Aktivit ten feststellen k nnen 4 9 Grunds tz
65. lich werden aus nahe liegenden praktischen Gr nden berall Turbomaschinen hnlicher Baugr e verwendet Diese werden dann entweder als Pr fstand f r Flugtriebwerke oder eben als station re Gasturbine betrieben je nach Ausbildungsschwerpunkt der Hochschule Auch die Ausf hrung der Pr fst nde unterscheidet sich Teilweise werden eigens f r Lehrzwecke entwickelte und gebaute Test Labors verwendet Oder es werden Serien Kleingasturbinen entsprechend umgebaut und modifiziert Insgesamt ist es aber so dass auf Grund der Beschaffenheit von Gasturbinen die Maschinen an sich gar nicht umgebaut werden Was modifiziert werden kann sind Hilfsaggregate Zu und Abstr md sen als auch die Mess und Regeltechnik Im Folgenden m chte ich nun auf vier Hochschulen etwas n her eingehen e University of Liege Belgien 4 Hier wurde ein Jet Engine Pr fstand von der Stange gekauft An diesem wurden im Lauf der Zeit viele Modifikationen unternommen Bemerkenswert ist v a dass durch die Modifikation mit variablen Zu und Abstr md sen der Betriebsbereich wesentlich erweitert werden konnte da eine regelbare D se einen zweiten Betriebsparameter f r das Flugtriebwerk darstellt e University of Minnesota U S A 5 Hier wird der gleiche Pr fstand wie in Liege verwendet Bemerkenswert ist dass damit u a verschiedene Betriebszust nde beim Hochfahren untersucht werden Es wird differenziert nach Kalt Mittel und Warmstart was dann zu unterschi
66. mer werden bei der Modernisierung ersetzt Die Messleitungen bleiben grunds tzlich unver ndert Temperaturmessung Zur Messung der Gastemperaturen in der Maschine wurden bisher Einsteck Thermoelemente des Typs K verwendet was in Abbildung 13 zu sehen ist Das K steht dabei f r die verwendete Werkstoffpaarung NiCr Ni des Messf hlers Das darin entstehende der Eigentemperatur proportionale elektrische Signal wird ber eine entsprechende Leitung durch den Kabelkanal zur Anzeigetafel gef hrt wo es mit einer digitalen Anzeige dargestellt wird Abb 13 Thermoelement zur Messung der Temperatur t2 am Austritt des Verdichters Das Element ist vom Typ K erkennbar am gr nen Kabel Bisher wurden die Temperaturen tz am Austritt des Verdichters und t4 am Austritt der Gasturbine gemessen Grunds tzlich ist zu sagen dass diese Messungen nur in einem Punkt des jeweiligen Str mungskanals statt finden Man kann also nicht sagen ob im entsprechenden Querschnitt ein isothermes Temperaturfeld vorliegt Bei der Auswertung der Messergebnisse wurde aber bis jetzt mit dieser Annahme gearbeitet Durch die asymmetrische Anstr mung der Turbine von der dar ber liegenden Brennkammer kann es beispielsweise zu einer ungleichm igen Temperaturverteilung am Austritt kommen Wie gro dieser Einfluss ist sl k nnte man durch mehrere um den Umfang des Abgaskanals verteilte Messungen berpr fen Am Verdichteraustritt gibt es eine nutzbare M
67. n ist der dynamische Anteil der Eigentemperatur kleiner als 0 8 K Da aber die Messunsicherheit der Thermoelemente bei 2 5 K liegt ist ersichtlich dass in diesem Fall eine Differenzierung der Temperatur nicht sinnvoll ist Daher wird im Weiteren davon ausgegangen dass Totaltemperaturen gemessen werden Insgesamt gilt f r die Temperaturmessung Thermoelemente werden hier auch in Zukunft zur Anwendung kommen Auf deren Messprinzip wird n her im Kapitel 3 3 bei der Beschreibung der neu angeschafften Messger te eingegangen Die Sonde f r die t2 Messung bleibt erhalten die einzelne Sonde f r die ta Messung wird im Weiteren ersetzt 22 Messung des Brennstoffmassenstromes Der Brennstoffmassenstrom wird auf einfache Art und Weise volumetrisch gemessen Es wird dabei eine mit Dieselbrennstoff gef llte Glass ule betrachtet Auf der Glass ule sind eine obere und eine untere Markierung angebracht die das Volumen von einem Liter begrenzen Durch eine h ndische Zeitnehmung kann damit bei Betrieb der verbrauchte Brennstoff pro Zeit ermittelt werden An dieser Messausf hrung ndert sich nichts Drehzahlmessung Die Drehzahlmessung erfolgte bis jetzt mit einem Stroboskop Tachometer das als Handger t ausgef hrt ist Die Messung funktioniert dabei so dass eine axial auf die Welle aufgebrachte Markierung beim Betrieb mit dem Stroboskop bei verschiedenen Frequenzen angeblitzt wird Die Markierung muss dabei eine gute Unterscheid
68. nd ein K hlwasseranschluss notwendig Auf die sachgem e Handhabung und Instandhaltung der Maschine wird hier nicht n her eingegangen F r die elektrische Versorgung werden zwei Standardanschl sse 220V 50 Hz ben tigt an die das Bremssteuer und das Bremsmessger t angeschlossen werden Die Bremse selbst wird dann vom Steuerger t mit einer 150V Gleichspannung versorgt wobei die maximale Leistungsabgabe f r den Spulenstrom mit 1500 W begrenzt ist Sehr wichtig f r den Betrieb ist das Funktionieren der Wasserk hlung Diese wird direkt vom Wassernetz gespeist wobei noch ein zus tzlicher Filter Druckmessger t als auch eine Absperrarmatur am Zulauf angeordnet sind Auf Grund der alten Wasserzuleitung kann es sein dass Ablagerungen im Wasser vorhanden sind weswegen ein Sp len und Reinigen des Filters vor dem Betrieb erforderlich ist F r einen problemlosen Betrieb ist ein Mindest berdruck von 1 bar am Zulauf erforderlich ansonsten kommt es zu einem automatischen Abschalten der Maschine Die maximale Zulauftemperatur des K hlwassers darf 30 C erreichen was praktisch immer gegeben ist und die gr tm gliche Aufheizung des Wassers beim K hlen darf 25 C betragen Weiters ist eine gewisse chemische Reinheit des Wassers Voraussetzung als auch ein m glichst konstanter Wasserdruck was beides kein Problem ist Sollte es w hrend des Betriebes zu Problemen 39 kommen so wird dies durch die zwei entsprechende Warn
69. nderheiten auf Die Betriebsbedingungen entsprechen den in der L ftungstechnik blichen weswegen die Suche nach geeigneten Ger ten nicht schwierig sein d rfte Wegen der gleichen Anforderungen habe ich sie zusammengefasst e Differenzdruck Messung Ap23 Die Differenzdruck Messung zwischen Brennkammereintritt und Austritt gestaltet sich wesentlich schwieriger Zum einen treten hier sehr hohe Temperaturen direkt an der Messstelle auf ins Besondere am Austritt der Brennkammer Eine genauere Betrachtung zeigt jedoch dass der Druckaufnehmer ber eine etwa sieben Meter lange Messleitung mit der hei en Messstelle verbunden ist Ob die Temperaturen von ber 700 C f r das Messger t relevant sind kann man mit Hilfe der eindimensionalen station ren W rmeleitungsgleichung f r einen homogenen Stab siehe auch Abb 21 untersuchen BT Q All AT Dabei entspricht Q dem von der Messstelle Uber die Luft innerhalb der Leitung Ubertragenen Warmestrom W A ist die Warmeleitfahigkeit der Lufts ule Atut 0 0261 W mK f r t 20 C A ist der Querschnitt bei 5 mm Durchmesser und die Lange der Messleitung mit 7 m w hrend mit AT die Temperaturdifferenz AT 750 20 C zwischen den beiden Enden gekennzeichnet ist Die W rmeleitung ber die Leitung selbst wird dabei vernachl ssigt da diese teilweise aus Kunststoff Elementen besteht welche eine sehr geringe W rmeleitf higkeit haben T 750 C
70. npr fstand Fachhochschule Osnabr ck A J B Jackson P Laskaridis P Pilidis A Test Bed For Small Aero Gas Turbines For Education And For University Industry Collaboration Volume 1 Proceedings of ASME Turbo Expo 2004 GT 2004 54334 J A Szymczyk Labor Str mungsmaschinen STM 10 Pirna Gasturbine GT 028 1 Fachhochschule Stralsund M rz 2004 C R Davison A M Birk Set Up And Operational Experience With A Micro Turbine Engine For Research And Education Proceedings of ASME Turbo Expo 2004 GT 2004 53377 86 6 2 Internetseiten a TU Braunschweig Institut f r Elektrische Maschinen Antriebe und Bahnen http www imab tu bs de unter Jahresbericht 1997 S O Siems LWSB Lineare Wirbelstrombremse b TU Darmstadt Institut fur Elektromechanische Konstruktionen http www emk tu darmstadt de fileadmin groups 2 Dokumente Anleitung Druc kmessung pdf Stand Oktober 2009 87 88 2 Danksagung Ich bedanke mich sehr fur die gute Zusammenarbeit bei Prof Reinhard Willinger Dipl Ing Albert Benoni Franz Trummer und Gerhard Kanzler von der Technischen Universitat Wien Besonderen Dank m chte ich all jenen aussprechen die mich w hrend des Verfassens der Arbeit unterst tzt und mir geholfen haben Dankesch n 89
71. omatisierten Pr fstand m glich 50 Beschreibung der neuen Temperatur Messgerate Zur Temperaturmessung wurden vier Thermoelemente mit je einer Anzeige beschafft Ein Thermoelement und eine Anzeige ergeben ein Messgerat U const A AnschluBstelle des Thermoelements R Abgleichwiderstand AL Ausgleichsleitung Ren Thermistor M Me ger t f r die Thermospannung TE Thermoelement ML Melleitung Up Br ckenspeisespannung R Widerstand Ux Kompensationsspannung Abb 25 Prinzip eines Thermoelementes mit Vergleichsstelle a und mit Kompensationsschaltung b als Vergleichsstelle 1 Thermoelemente sind thermoelektrische Messgerate und basieren auf dem Seebeck Effekt Dieser besagt dass wenn an einem Draht eine Temperaturdifferenz anliegt so stellt sich in Folge dessen eine Ladungsverschiebung ein Diese ist abh ngig von den elektrischen Eigenschaften des Materials Werden nun zwei Dr hte unterschiedlichen Materials an einem Ende mit einander verbunden an dem eine h here Temperatur als an den beiden offenen Enden anliegt so stellt sich nun zwischen den offenen Enden eine elektrische Spannung Ur ein Diese Thermospannung ist abh ngig von der Temperaturdifferenz AT 2 Um nun T an der Messstelle zu bestimmen ist grunds tzlich die Kenntnis von T2 an der Vergleichsstelle V notwendig siehe Schaltung a in Abb 25 Die Vergleichsstelle ist dabei die Stelle an der die Ausgleichsleitungen z B aus Ni CrNi
72. orgung verf gbar e Recherche und Auswahl f r die Messung von Ap23 Die Suche nach einem passenden Ger t f r den Differenzdruck um die Brennkammer hat sich als schwieriger erwiesen Da hier h here Dr cke bis zu 2 bar absolut herrschen sollen um einen gewissen Spielraum beim Betrieb der Turbine zu haben sind die Differenzdruckger te beider favorisierter Hersteller schlecht geeignet Grund daf r ist dass man beim Betrieb mit h herer Drehzahl sehr nahe an die berlastgrenze der Messger te kommt Diese zu berfahren w rde zur Sch digung des Ger tes f hren Au erdem kommt es bei Lastwechseln zu recht gro en Druckschwankungen was die ohnehin empfindlichen Sensoren weiter belasten w rde Daher erm glichen die beiden f r die L ftungstechnik entwickelten Ger te keine zufrieden stellende L sung Bei der weiteren Recherche bin ich bei der Firma Honeywell f ndig geworden Diese bietet einen Differenzdruckaufnehmer im geforderten Messbereich an Folgende Randbedingungen sind dabei zu erw hnen Die Druckangaben sind alle in psi pound per square inch und damit insgesamt wesentlich umst ndlicher in der Handhabung Der Sensor wird weiters direkt aus den U S A geliefert weswegen die Lieferung l nger brauchen w rde und ob die Lieferung eines einzelnen St ckes m glich ist 44 war bei der Anfrage noch nicht klar Daher habe ich mich gegen diese vom technischen und didaktischen Standpunkt her sauberste L sung entschi
73. r die Messung von Aps und Apo Wie bereits erw hnt sind die beiden Differenzdruck Messger te Standard Anwendungen in der L ftungs und Klimatechnik Deswegen war es bei beiden favorisierten Firmen nicht schwer ein passendes Messger t zu finden Bei beiden Firmen sind Einbaumessger te f r den gesuchten Messbereich mit integrierter Anzeige und den gesuchten pneumatischen und elektrischen Anschl ssen erh ltlich Auch preislich besteht kaum eine Differenz zwischen den zwei Angeboten Am Ende habe ich mich f r das JUMO Ger t entschieden da ich f r die weiteren Applikationen nur bei JUMO ebenfalls passende L sungen gefunden habe und eben das Ziel einer wenn m glich einheitlichen Bestellung verfolgt habe F r die Messung der beiden Differenzdr cke Aps und Apo habe ich mich f r das JUMO Ger t 40 4304 entschieden Es erf llt alle gestellten Anforderungen Folgende Spezifikation habe ich dabei gew hlt gt 0 25 mbar Messbereich gt LCD Anzeige gt Spannungsversorgung DC 11 5 30 V gt Pneumatischer Anschluss 6 6 mm f r flexible Schl uche e Recherche und Auswahl f r die Messung von Apo4 Auch fur dieses Differenzdruck Messgerat gilt das Selbe wie bei den beiden oben angef hrten Ger ten lediglich der gesuchte Messbereich ist wesentlich kleiner Ich habe mich auch hier f r das 40 4304 Ger t der Firma JUMO mit der unten angef hrten Spezifikation entschieden Der Messbereich und damit der Preis unters
74. rderlich war Dazu geh rt ein neuer Stromanschluss an dem auch ein 24V Gleichstromkreis f r die Hilfsaggregate der Maschine angeschlossen ist Au erdem wurde noch die Not Aus Sicherung erneuert STS 4 2 Auswirkungen der Modernisierung auf den Betrieb Um die verschiedenen Auswirkungen zu diskutieren die sich durch den Umbau f r den Betrieb ergeben habe ich das Kapitel folgend unterteilt Es werden zuerst jeweils die Auswirkungen auf die Inbetriebnahme das Anfahren eines Betriebspunktes als auch auf den station ren Betrieb besprochen um anschlie end auf die daraus resultierenden Konsequenzen f r den zuk nftigen Betrieb der modernisierten Anlage einzugehen Auswirkungen auf die Inbetriebnahme Grunds tzlich ndert sich bei der Inbetriebnahme recht wenig wenn man von der Bremshandhabung absieht Was sich ge ndert hat sind einzelne Handgriffe zur Aktivierung der Hilfsaggregate und Messinstrumente worauf aber noch n her eingegangen wird Sonst ndert sich aber nichts da die Antriebsmaschine nach der berarbeitung unver ndert ist Bei der Bremse ist darauf zu achten dass die elektrischen Leitungen angeschlossen sind und die K hlwasseranschl sse korrekt arbeiten Ist dies nicht der Fall so wird eine entsprechende Warnung auf dem Bremskontrollger t angezeigt und die Bremse l sst sich nicht aktivieren Wichtig ist weiters beim Betriebsmodus konstanter Drehzahl dass die Soll Drehzahl beim Anfahren hoch genug eingestellt i
75. riebspunkte wobei manche Parameter mehrmals gemessen werden k nnen Danach kann die Anlage herunter gefahren werden Der praktische Teil der bung ist somit absolviert Io 2 4 Ziel der Modernisierung Die Ziele der in dieser Arbeit behandelten Modernisierung kann man von zwei verschiedenen Gesichtspunkten aus betrachten Es gibt didaktische als auch den technischen Betrieb an sich betreffende Ziele Aus didaktischer Sicht ist es einmal erstrebenswert die Maschine auf einem m glichst repr sentativen Stand der Technik zu halten Dazu geh rt der Einbau einer elektrischen Wirbelstrombremse anstelle der alten Wasserwirbelbremse weiters die daf r erforderliche berarbeitung der elektrischen Ausr stung der Anlage als auch eine Erneuerung der Messinstrumentierung Mit der neuen Messinstrumentierung kann dann auch das Konzept zur Darstellung der Messergebnisse berarbeitet werden W nschenswert dabei ist es die verschiedenen Messgr en m glichst zentral anzuzeigen Dies f rdert nicht nur das leichtere Verst ndnis des Messaufbaues und der Betriebsweise es erleichtert auch insgesamt das Ablesen der Messger te und damit den Ablauf der Labor bung Ein weiteres didaktisches Ziel der Modernisierung ist der Ausbau der Temperaturmessung Anstatt nur einer Messung werden in Zukunft vier um den Umfang des Abgaskanals verteilte Temperaturmessungen m glich sein Mit den zus tzlich gewonnenen Daten k nnen dabei R ckschl sse auf eine
76. rischen Anschl ssen geachtet Bei den pneumatischen Anschl ssen f r die Druckmesstechnik w re es sinnvoll die bereits im Labor vorhandenen Schl uche zu verwenden Diese sind aus Kunststoff und haben einen Innendurchmesser von 4 mm und eine St rke von etwa 1 mm Au erdem haben sich die dazu passenden Schraubanschl sse mit berwurfmutter hier am Labor als vorteilhaft erwiesen Deswegen ist es Ziel diese Komponenten der pneumatischen Messtechnik in der neuen Messinstrumentierung weiter zu verwenden worauf bei der Spezifikation der einzelnen Ger te im Weiteren geachtet wird Bei der Recherche habe ich mich schwerpunktm ig auf die zwei Messtechnikfirmen JUMO GmbH und Testo GmbH konzentriert da es mit deren Ger ten bisher gute Erfahrungen gegeben hat Bei einzelnen Problemf llen habe ich jedoch meine Suche auf den Bereich der Industrie Messtechnik ausgedehnt um so einen besseren berblick auf die verschiedenen L sungsm glichkeiten zu bekommen Grunds tzlich ist es AD jedoch w nschenswert alle ben tigten Komponenten von einem Hersteller zu beziehen weil das insgesamt die effizienteste L sung ist was Einkauf Beratung Transport Kosten und Montage vor Ort betrifft Aus diesem wie auch aus den im Weiteren n her beschriebenen technischen Gr nden habe ich mich am Ende der Recherche f r eine ausschlie liche Bestellung bei der Firma JUMO GmbH aus Fulda Deutschland entschieden e Recherche und Auswahl f
77. rwendeten Messaufbaus 2 Bei der Modernisierung werden die rot markierten Komponenten ersetzt 17 Bisheriges Konzept zur Darstellung der Messergebnisse Das bisherige Konzept war es so viele Messergebnisse als m glich auf einer Anzeigetafel dar zu stellen welche in Abbildung 10 zu sehen ist Auf Grund der bisherigen technischen Ausstattung war das aber nur teilweise m glich da beispielsweise die Drehzahl separat mit einem Stroboskop Handger t gemessen und der Absolutdruck p2 in einer nebenbei gelegenen Steuerwarte angezeigt wurde Insofern konnte dieses Konzept der zentralen Darstellung aller Ergebnisse nur zum Teil umgesetzt werden Vom didaktischen Standpunkt gesehen war dies ein gro er Nachteil f r die Labor bung Abb 10 Gasturbinenpr fstand mit ROVER 1S 60 Gasturbine und Ansaugrohrleitung links vorne sowie der Anzeigetafel rechts hinten Ein Nachteil des Konzeptes an sich war dass die f r den Betriebstechniker zum Betrieb notwendige Anzeige der Turbinenaustrittstemperatur t4 auch auf der Anzeigetafel angeordnet war Da bei einer Labor bung mehrere Personen um die Anlage herum verteilt sind und sich bewegen um beispielsweise Messergebnisse abzulesen konnte es dementsprechend schwierig sein bei der Bedienung direkt an der Maschine einen freien Blick auf die Abgastemperatur zu haben 18 Druckmessung und Anzeige Ziel der Druckmessung ist es die thermodynamische Zustandsgr e Druck des Arbeitsmediums also
78. sbereichsendwert der Differenzdruckaufnehmer die Drehzahl mit 2400 mint begrenzt ist Diese Grenze wurde experimentell ermittelt und darf im Weiteren mit der angeschlossenen Messtechnik nicht berfahren werden Als Konsequenz daraus folgt Der Pr fstand der ROVER 15 60 Gasturbine muss im Betriebsbereich zwischen 1900 und 2400 min Abtriebsdrehzahl betrieben werden Die berarbeitete Anlage kann nun gem dem im Kapitel 4 3 angef hrten Betriebsmanual betrieben werden 60 4 3 Betriebsmanual Dieses Kapitel soll eine Gebrauchsanweisung fur den behandelten Gasturbinenpr fstand sein Es gliedert sich in einen Einf hrungsteil mit Hinweisen und Bemerkungen und in einen Teil mit dem eigentlichen Manual Ziel des Manuals ist es m glichst einfach und verst ndlich zu beschreiben wie der Pr fstand zu bedienen ist Es gilt die unten angef hrte Nomenklatur Einf hrung zum Gebrauch des Betriebsmanuals Das Betriebsmanual ist gedacht f r Technik kundige Personen und dementsprechend ausgelegt Eine Einarbeitung in den Pr fstand vor dem eigentlichen Betrieb ist unbedingt erforderlich Alle n tigen Handgriffe sollte man vor dem Betreiben ausprobieren und weiters sollte auch einen berblick vorhanden sein wo welches Aggregat und welche Vorrichtung ist Nur in diesem Fall ist es empfehlenswert mit dem ausgearbeiteten Manual zu arbeiten Andernfalls ist damit kein sicherer Betrieb m glich Das Manual ist so aufgebau
79. schine lauft aus 6 Nach dem Abstellen VV V Ventil der lk hlung gt R6 schlie en Kraftstoffhaupthahn gt R5 schlie en K hlwasserventil gt Ri schlie en Bremsmess und Kontrollger t gt Br 1 ausschalten Elektrische Versorgung bei Maschine abschalten 4 Stecker bei gt R4 Elektrische Versorgung bei Anzeige abschalten Stecker gt Anz 1 ausstecken Kraftstoffpumpe gt Anz 3 4 ausschalten Batterie Hauptschalter gt V1 ausschalten und Schl ssel herausziehen sowie Schutzkappe aufsetzen Kontrolle ob Z ndschl ssel gt V3 ausgeschalten ist Schl ssel parallel zu Welle Kontrolle ob Kraftstoffhebel gt V4 ganz zur ckgenommen ist Hebel parallel zu Welle Not Aus Schalter gt V2 ggf l sen Tankschraube schlie en Feuerl scher verstauen Der Gasturbinenpr fstand ist nun ordnungsgem abgestellt 70 4 4 M gliche St rf lle der berarbeiteten Anlage In diesem Kapitel werden ausschlie lich die m glichen St rf lle diskutiert die sich durch den Umbau der Anlage ergeben k nnen Dabei unterscheide ich im Folgenden zwischen m glichen Problemen deren Ursprung bei der Bremse oder den neuen Messger ten liegt M gliche St rf lle der Bremse Die Bremse besteht aus den drei bereits erw hnten Ger ten Bremseinheit Steuer und Messger t Nur die Bremseinheit ist dabei Wartungsarbeiten zu unterziehen Da die Anlage jedoch nur wenige Male im Jahr betrieben wird d rfte der dazu notwend
80. so der Ger te auf der Anzeigetafel F r die Justierung der Bremsmessger te verweise ich auf die Betriebsanleitung Grunds tzlich ist eine Justierung der beim Pr fstand verwendeten Messger te vor jedem Gebrauch sinnvoll da jener nur selten betrieben wird und sich ber die Zeit ein Offset Fehler einschleichen kann Das hei t dass es zu einer Abweichung des angezeigten Messwertes kommen kann Um diesen Messfehler zu vermeiden ist eine Justierung vor dem Betrieb erforderlich 74 J ustierung der Temperaturmessgerate Die vier neuen Temperaturmessger te bestehen jeweils aus einem Anzeigeger t JUMO di eco siehe Abb 29 und einem Thermoelement Typ K Bei der Justierung jener werden lediglich Ver nderungen am Anzeigeger t vorgenommen um den Offset Messfehler vor dem Betrieb abzugleichen Das Anzeigeger t besitzt dazu wie unten dargestellt drei Tasten P und zwei Pfeiltasten CT TT We EA Abb 29 Anzeigegerat di eco fur die Temperaturmessung Fur die Justierung ist au erdem ein Messger t zur Messung der Referenztemperatur erforderlich Es wird davon ausgegangen dass die Turbine im thermischen Gleichgewicht ist also dass die Thermoelemente Umgebungstemperatur haben Das Vorgehen beim Justieren lautet wie folgt gt Messung der Umgebungstemperatur mit dem Referenzmessger t gt Ermitteln der Differenz AT von Referenztemperatur weniger angezeigter Temperatur gt Taste P drei Sekunden gedr ckt halten
81. st da die Turbine ansonsten gleich herunter gebremst wird Weiter eingegangen wird auf die praktische Bedienung der Maschine im Betriebsmanual Kapitel 4 3 Auswirkungen auf das Anfahren eines Betriebspunktes Wie bereits festgestellt ndert sich f r das Verhalten der ROVER 1S 60 Gasturbine also bei der Antriebsmaschine nichts An der Maschine wurden keinerlei Ver nderungen durchgef hrt abgesehen von drei weiteren Str mungsmesssonden im Abgaskanal deren Einfluss als vernachl ssigbar angesehen wird Trotzdem ver ndert sich durch die neue Lastmaschine die Wirbelstrombremse die weitere Betriebsweise erheblich Diese Auswirkungen f r den Betrieb sollen im Folgenden beschrieben werden Der Gasturbinenpr fstand wird nach dem Hochfahren durch grunds tzlich zwei manuell einstellbare Betriebsparameter geregelt Die Brennstoff Zufuhr und die Bremslast Die Bedienung der Antriebsmaschine ber die Brennstoffzufuhr bleibt wie gehabt re Die Bremslast kann nun aber variabel und durch verschiedene Betriebsmodi eingestellt werden Ziel der Labor bung ist das Anfahren mehrerer Betriebspunkte bei konstanter Drehzahl und unterschiedlicher Last weswegen die Maschine im Weiteren beim Modus konstanter Drehzahl betrieben wird Daraus folgt dass man beim Betrieb die geforderte Bremsdrehzahl anfangs recht hoch einstellen wird so dass keine Bremslast anliegt Dann kann man die Soll Drehzahl langsam absenken womit die Bremslast ansteigt solan
82. t dass ich zuerst anhand von einzelnen Bildern die f r den Betrieb relevanten Vorrichtungen aufliste und diese mit einem K rzel versehe Das K rzel besteht aus einem Buchstaben der beschreibt wo das Bedienteil ist und die nachfolgende Nummer dient der Nummerierung Diese Benennung ist willk rlich und meiner Ansicht nach am besten nach zu vollziehen Folgende Buchstaben beschreiben die entsprechenden Bereiche des Pr fstandes Wirk Vorderseite des Pr fstandes Russ R ckseite des Pr fstandes Br Bremssteuer und Bremsmessger t Anz Anzeigetafel Das Manual ist in sechs Teile unterteilt Diese entsprechen dem zeitlichen Vorgehen beim Betreiben des Pr fstandes und lauten 1 Tag vor dem Betrieb 2 Vor Inbetriebnahme 3 Anfahren 4 Betrieb 5 Abstellen 6 Nach dem Abstellen 61 Folgende Hinweise sind noch zu erw hnen e Es wird im Weiteren nur auf die direkt f r die Bedienung der Anlage relevanten Vorrichtungen eingegangen werden Eine genauere Beschreibung ist hier nicht zielf hrend e Auf die Kalibrierung und Justierung der Messger te und deren Durchf hrung wird im Kapitel 4 5 n her eingegangen e Mit Drehzahl ist im Weiteren die Abtriebsdrehzahl gemeint So wie zur eigenen Sicherheit e Es ist empfehlenswert w hrend des gesamten Betriebes einen Geh rschutz zu tragen e Alles Wesentliche sollte daher vor Inbetriebnahme der Maschine mit den Mitarbeitenden besprochen werden Bei Betrieb sollte au
83. t tigt werden k nnten e Vollst ndige B ndelung der digitalen Messtechnik Alle Messsignale k nnen ber eine Datenerfassungskarte in einem PC verarbeitet gespeichert und dargestellt werden Daraus ergibt sich die n chste M glichkeit e Vollkommen elektronisch gesteuerter Betrieb Durch eine elektronische Betriebssteuerung und eine PC gest tzte Messauswertung kann man den gesamten Pr fstand per Mausklick betreiben Dieses Konzept wird als DAC Data Aquisition amp Control bezeichnet und er ffnet viele neue M glichkeiten Eine praktische DAC Umsetzung der Queens University Ontario Kanada 9 ist in Abbildung 31 zu sehen 81 e Voll Automatischer Betrieb Mit einem DAC System k nnen verschiedene Betriebsprogramme erstellt werden Damit kann der Pr fstand nach Anfahren voll automatisch gefahren werden Set Speed I 126 0 T 100 02 Run Line g g 80 0 60 02 xternal Control ag M 32 07 mena 0007 BE prime al Abb 31 Ausschnitt des Datenerfassungs und Kontrollsystems DAC eines hnlichen Gasturbinenpr fstandes 9 Der Pr fstand kann damit per Mausklick bedient werden Betriebliche Voraussetzungen f r einen voll automatischen Betrieb sind jedoch grunds tzlich Eine Sicherung gegen berdrehzahl beispielsweise eine Fliehkraftsicherung die ein Durchgehen der Maschine verhindert Ein automatisch ausl sender Schalter f r den l K hlkreislauf Somit kann die erforderliche Ol
84. t tzt werden Weiters soll die Anlage auf einem m glichst repr sentativen Stand der Technik gehalten werden Au erdem soll der Betrieb des Pr fstandes wenn m glich vereinfacht werden Die Modernisierung umfasst dabei mehrere Ebenen Diese sind vorerst die Erneuerung der Bremseinheit eine neue Messinstrumentierung sowie eine berarbeitung der elektrischen Ausr stung Jedoch sind in Zukunft weitere Ma nahmen geplant Im Rahmen der Diplomarbeit wird n her eingegangen auf die neue Messinstrumentierung und die neue Bremseinheit Au erdem wird die berarbeitung der elektrischen Ausr stung kurz dokumentiert Den neuen Umst nden entsprechend ndert sich die erforderliche Bedienung der Anlage was im ausgearbeiteten Betriebsmanual beschrieben ist Weiters werden der Betrieb sowie m gliche St rf lle der modernisierten Anlage besprochen Am Ende der Arbeit werden noch m gliche Auswirkungen auf die n chste Labor bung und weitere Potenziale zur Modernisierung diskutiert Ich hoffe durch diese Arbeit den Studienbetrieb der TU Wien positiv zu beeinflussen 1 Introduction The intention of this diploma thesis is the upgrade of a stationary gas turbine The engine is solely used for educational reasons by the Vienna University of Technology Furthermore an operational manual should be made in order to operate the machine in a correct and safe way The gas turbine was developed for low power applications by the Rover company Built in the
85. temperatur garantiert werden und die manuelle Bedienung f llt weg Andere M glichkeiten zur weiteren Modernisierung sind e Verschieden Betriebsmodi der Bremse Durch eine quadratische Drehzahlsteuerung k nnen Beispielsweise Widerst nde simuliert werden die bei der Antriebstechnik und hohen Geschwindigkeiten auftreten e Am K hlsystem der Wirbelstrombremse k nnten W rmemengen Messungen durchgef hrt werden Diese w ren quivalent zu solchen bei W rmemengenz hlern in der Heiztechnik wo ber den 82 Massenstrom und die Temperaturspreizung auf die abgegebene Warme geschlossen wird e Im Abgaskanal k nnte man einen W rmetauscher installieren und damit bzw an diesem Messungen durchf hren Anderen Modifikationen wie beispielsweise einem Ausbau der vorhandenen Messtechnik sind jedoch durch die Bauart und das Betriebsalter der Maschine Grenzen gesetzt Man wird sehen wie sich der Pr fstand und die damit zusammen h ngenden Aktivit ten in naher Zukunft gestalten werden 83 2 5 Zusammenfassung Aufgabe der Diplomarbeit war es an einem Gasturbinenpr fstand einen Modernisierungsschritt auszuarbeiten bzw jenen zu unterst tzen und das Ergebnis in Form dieser Arbeit zu dokumentieren Die Dokumentierung umfasste eine Aufnahme des Ist Zustandes vor dem Umbau als auch die Dokumentation des Umbaues an sich und des daraus resultierenden Ergebnisses Zum Umbau des Pr fstandes geh rte die Integration einer ne
86. tsteht dabei insgesamt ein inhomogenes Magnetfeld d h mehrere hintereinander angeordnete kleine Magnetfelder Diese ziehen den metallischen K rper also Schiene bzw Bremsscheibe an weil sich ein magnetischer Kreis ber den Luftspalt zwischen den beiden K rpern ausbildet Das ist auf der linken Seite der Abb 16 f r den Stillstand v 0 m s zu sehen Die vom Magnetfeld ausgehende Kraft Fev o wirkt senkrecht Bewegt sich nun aber der ferromagnetische K rper im Magnetfeld die Relativgeschwindigkeit v ist nun ungleich 0 m s so wird darin wegen des Induktionprinzipes eine elektrische Spannung induziert Diese bewirkt einen Stromfluss man spricht dabei von einem Wirbelstrom Jeder Stromfluss bewirkt wiederum die Ausbildung eines auf den Leiter 30 senkrecht stehenden Magnetfeldes Rechtehand Regel das sich hier mit dem bereits vorhandenen Feld berlagert Auf Grund der Lenzschen Regel wirkt die dabei am Leiter bzw am Magneten angreifende Kraft entgegen der Bewegung deren Richtung durch v gekennzeichnet ist Es kommt also zur Ausbildung einer bremsenden Kraft F die also von v abh ngig ist er Schiene Abb 16 Wirkprinzip einer Schienenfahrzeug Wirbelstrombremse a Bei der Leistungsbremse hat das Joch Ringform u aus der Schiene wird eine Bremsscheibe Weiters ndert sich die Richtung von v zu vn rot Das ferromagnetische Material dessen magnetische Eigenschaften jedoch f r das ganze Bremsprinzip nicht bedeut
87. uen Bremseinheit die Ausr stung mit einer neuen Bremsinstrumentierung so wie die berarbeitung der elektrischen Ausr stung Unterst tzt wurde im Zuge dieser Arbeit die Inbetriebnahme der neuen Wirbelstrombremse deren Beschaffung f r die Diplomarbeit jedoch nicht relevant war Ausgearbeitet wurde das Konzept f r eine neue Messinstrumentierung Dieses beinhaltet eine Analyse der erforderlichen Messger te auf der basierend dann die Beschaffung erfolgte Teil des Konzeptes war auch die Darstellung der Messwerte aus didaktischer und betrieblicher Sicht zu optimieren Weiters wurde ein Betriebsmanual f r den Pr fstand ausgearbeitet An Hand dessen kann die Maschine nach gr ndlicher Einarbeitung sicher betrieben werden Am Ende der Arbeit wurden noch Vorschl ge zur weiteren m glichen Modernisierung erstellt Diese w ren dann Teil eines folgenden Modernisierungsschrittes Abgeschlossen wurde die Arbeit mit der Inbetriebnahme des eben berarbeiteten Pr fstandes der nun bei der folgenden Labor bung zum Einsatz kommen wird 84 5 Abstract The challenge of this thesis was the upgrade the support and the following documentation of a gas turbine testbed The documentation includes an investigation of the testbeds state before during and after the upgrade Part of the upgrade are the integration of a new eddy current brake unit the implementation of new measuring equipment as well as a new electrical equipment The comm
88. ung von hell und dunkel gew hrleisten um ein problemloses Messen zu erm glichen Wird nun die Markierung der rotierenden Welle mit der gleichen Frequenz angeblitzt mit der sich die Welle dreht so erscheint die Markierung als still stehend Die am Stroboskop abzulesende Frequenz entspricht dann bei richtigem Gebrauch der Frequenz mit der die Welle uml uft Wichtig ist bei manuellem Einstellen der Blitzfrequenz dass man eine Ahnung von der zu messenden Drehzahl hat um nicht h here harmonische Schwingungen zu erwischen Die dabei ermittelte Drehzahl w re dann ein Vielfaches der richtigen Drehzahl Erg nzend zur Stroboskopmessung gab es bisher auch ein induktiv arbeitendes Drehzahlmessger t dessen Analoganzeige auf der Anzeigetafel angebracht ist Mit der rotierenden Welle bewegt sich eine auf der Welle sitzende Zahnscheibe an einer Induktionsspule vorbei und induziert eine drehzahlproportionale Wechselspannung Deren Grundfrequenz ist dabei auch von der Z hnezahl der Scheibe abh ngig Die induzierte Messspannung kann dann mit einem Drehspulmessger t auf der Analoganzeige angezeigt werden 3 Beide Messger te zur Bestimmung der Drehzahl werden im Zuge der Modernisierung ersetzt Bt 2 3 Beschreibung der Labor bung Um die Labor bung zu beschreiben werde ich im Folgenden auf diese Aspekte n her eingehen Den Rahmen das Ziel die Aufgabenstellung und den Ablauf der bung Rahmen der Labor bung Die behandelte ROVER
89. ungen sind im T s Diagramm an den strichlierten Linien zu erkennen Man sieht Je besser die Prozessg te in Verdichter und Turbine desto tiefer sind die Temperaturen der Zust nde 2 und 4 Grund f r die Abweichungen von den Zust nden des idealen Prozesses sind Str mungs und Reibungsverluste in den einzelnen Komponenten als auch Verluste die durch die K hlung von Bauteilen entstehen Die Verbrennung 2 3 wird in beiden Prozessen als isobare W rmezufuhr betrachtet Tats chlich kommt es aber zu einem Druckverlust der in der bung gemessen wird Die zugef hrte W rme entspricht dabei der Fl che unter der Isobaren p2 p3 zwischen den Zust nden 2 und 3 genauso wie es bei einem geschlossenen Gasturbinenprozess mit der abzuf hrenden W rme zwischen 4 und 1 der Fall w re Mit dieser theoretischen Betrachtung kann die Gasturbinenanlage n her untersucht werden Im Zuge der Modernisierung ergeben sich keinerlei nderungen an der Maschine die den thermodynamischen Prozess an sich beeinflussen Rotor Der Rotor ist in Abbildung 1 gut zu erkennen An diesem und den darauf befestigten Laufr dern findet in Zusammenspiel mit den dazu geh renden Leitradstufen die Energieumsetzung von mechanischer Energie der Welle in Str mungsenergie und umgekehrt statt Das radiale Verdichterlaufrad besteht aus 17 Schaufeln ist aus geschmiedetem Aluminium gefertigt und ist auf den Rotor aufgeschrumpft Auf das Verdichterlaufrad ist der mitrotierende
90. vier Stellen auf dem Display besitzen Diese Vereinfachung kommt den Anforderungen nach einer verst ndlichen Messung bzw Messwertanzeige entgegen Schlie lich ist die Messgenauigkeit nicht unendlich hoch so dass es gar nicht m glich ist die Temperatur auf die vierte und damit die erste Nachkommastelle genau zu messen Um dem m glichen Irrglauben an eine zu hohe Messgenauigkeit vorzubeugen ist es daher sinnvoll die Nachkommastelle gar nicht erst darzustellen Daher ist die dreistellige Anzeige sogar besser geeignet als die etwas teurere Vierstellige e Abschlie ende Bemerkungen Somit ist nun die Analyse und Auswahl der zu beschaffenden Messger te abgeschlossen Der Vollst ndigkeit halber m chte ich hier noch die komplette Bestellliste anf hren BESTELLUNG bei Fa JUMO Hr Sp rk Tel 43 1 61061 18 juergen spoerk jumo net St ck Bezeichhung TD Bestellschl ssel BEE HE ES Eee ee REED EEE eee ae 4 Einsteck Thermoelement 90 1150 901150 1043 6 300 03 7000 000 Pate Anzeige I 70 1540 701540 7821 317000 ee ee mero Fe A ee es e sina MESO Differenzdruck Messumformer 40 4304 404304 013 410 405 27 298 O 1 Differenzdruck Messumformer 40 4304 404304 013 403 405 27 298 fF OE Se ae RS Ce ae ae ee 2 Absolutdruck Messumformer 404366 404366 000 490 405 502 20 61 000 Digitale Anzeige 701530 701530 888 22 ee DO a ee ee Abb 22 Bestellung bei der Messtechnikfirm
91. wert Alle drei erw hnten Sicherheitssysteme arbeiten indem sie nach dem Ausl sen den elektrischen Kreis f r das Magnetventil der Brennstoffzufuhr unterbrechen Dadurch schlie t dieses und kann erst bei erneutem Hochfahren wieder ge ffnet werden Es folgt somit ein Auslaufen der Maschine Abb 8 Magnetventil der Brennstoffzufuhr geschlossen und dahinter die Brennkammer 15 2 2 Bisherige Messinstrumentierung und Anzeige In diesem Kapitel werde ich zuerst die zu messenden Gr en den dazu erforderlichen Messaufbau und das bisherige Konzept zur Darstellung der Messergebnisse erl utern Anschlie end werde ich n her auf die bisher verwendeten Methoden zur Messung von Druck Temperatur Drehzahl und Brennstoffmassenstrom eingehen Die wesentliche Frage bei der Messinstrumentierung ist einmal welche physikalischen Gr en ben tigt werden Das Ziel der Labor bung ist es das in den einzelnen Lehrveranstaltungen theoretisch erlernte Wissen ber thermische Turbomaschinen und deren Betriebsweise nach zu vollziehen Das theoretische Wissen st tzt sich dabei auf die Berechnung des einfachen offenen Gasturbinenprozess f r die eine bestimmte Anzahl thermodynamischer Zustandsgr en des Arbeitsmediums bekannt sein muss Diese m ssen durch eine Messung ermittelt werden Aus ihnen bzw anderen gemessenen physikalischen Gr en wie beispielsweise der Drehzahl k nnen dann die noch nicht bekannten Gr en berechnet werden Es
92. weswegen auch der Bedarf nach passenden Leistungsbremsen sehr gering ist lt TT Abb 14 Wirbelstrombremse FE 150 S gr n mit dazu geh rigem Bremsmess und Bremssteuergerat links oben Rechts vorne sind die Leitungen der Wasserk hlung zu erkennen Ausgelegt wurde die behandelte Wirbelstrombremse f r Drehzahlen bis maximal 13000 min Da bei der Labor bung aber die Drehzahl an der Abtriebswelle bei etwa 2000 mint liegt ist ersichtlich dass die Bremse in einem Randbereich betrieben wird die Drehzahl an der Antriebswelle liegt dann bei 30000 mint Dennoch ist mit der FE 150 S ein zufrieden 28 stellender Betrieb moglich worauf im Kapitel 4 2 naher eingegangen wird Das Kennfeld der Bremse mit einem f r die Ubung repr sentativen Betriebspunkt ist in Abb 15 zu sehen KW CV Nm 300 400 m H 4000 i EIER I pA e ERT cau om wi 215 4 20 44 m il 2000 af 8 150 H 1500 5 5 100 l Aa a oO 60 k H s n IM En 60 80 800 aa BEE H HHH u 600 d s j A CEELEN S T 11777 wu 45 TH i 450 4 IT HHH gt 5 n a1 H Ian 5 a a 57 CCN iii zk gi Ill 15 a SI 150 10 iP I TN 8 IT N 7 ital Mi LOB IN w amp 10 b as 100 gt aut EN MAC CH 2 2 fc So IE r coo 1 antl gt g 3 HAHH HEHEHE 214 HH 7 E CLAE 4

Diplomarbeit Modernisierung eines Gasturbinenprüfstandes

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