Bewilligung von REACT-EU-Mitteln für das Projekt - (iHGK)

Projekttitel:

„iHGK - Innovativer Hochgeschwindigkeits-Kalibrierkanal“

Kurzbeschreibung zum Projekt:

„iHGK - Innovativer Hochgeschwindigkeits-Kalibrierkanal zur Mach- und Reynolds-Zahl unabhängigen Kalibrierung von pneumatischen und thermischen Sonden“

Es handelt sich um Projekt-Nr. ZW 7- 85196516. Das Projekt wird über den „Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) als Teil der Reaktion der Union auf die COVID-19-Pandemie“ finanziert.

Fördergegenstand ist ein Hochgeschwindigkeits-Kalibrierkanal zur Mach- und Reynolds-Zahl unabhängigen Kalibrierung von pneumatischen und thermischen Sonden.

Zur Erreichung der internationalen und europäischen Klimaschutzziele erfordert die Entwicklung von numerischen Auslegungsmethoden für Turbinen und Verdichter eine präzise Validierung der berechneten instationären und turbulenten Strömungsvorgänge. Insbesondere, weil sich die Betriebsbereiche zukünftiger Turbomaschinenkomponenten von denen, bei den Herstellern bekannten Betriebsbereichen unterscheiden und die Hersteller daher den bewerten Bereich der Validierungen und Korrelationen verlassen müssen. Aus den veränderten Betriebsbereichen resultieren neue aerodynamische und aeroelastische Phänomene, deren experimentelle Untersuchung entsprechend anwendungsnahe Versuchsbedingungen und hoch genaue Messtechnik erfordern. Dies stellt eine Herausforderung für die Messtechnik, insbesondere von pneumatischen Sonden und Hitzdrahtsonden, dar. Um die erforderliche der Messungen mit diesen Sonden sicherzustellen, müssen selbige im tatsächlichen, späteren Messbereich kalibriert werden.

Die nächsten, innovativen Entwicklungsschritte sind also ganz wesentlich von der Güte der Kalibrierung abhängig. Bestehende Kalibrierkanäle bieten jedoch nur eingeschränkte Möglichkeiten den statischen Druck und die Temperatur in der Messstrecke während der Kalibrierung zu verändern. Für eine Verbesserung des „Status quo“ ist jedoch die dadurch möglich werdende Mach- und Reynolds-Zahl-Variation wesentlicher Bestandteil der Kalibrierungen.

Der innovative Ansatz des beantragten iHGK ermöglicht die Kalibrierung von Sonden unter diesen innovativen Aspekten, wie:

• dem Nachweis der erreichbaren Güte des Kalibrierstrahls mittels laser-optischer Messverfahren über einen weiten Betriebsbereich sowie deren grundsätzliche Implementierung,
• der Adaption des Kanals für aktuelle und neue Sondenbauformen und Sondenvertstelleinrichtungen,
• der Integration automatisierter Laser-Messsysteme zur hochpräzisen Ausrichtung von Sonden,
• der drucküberlagerten Fahrweisen zur unabhängigen Einstellung von Mach- und Reynolds-Zahl,
• sehr hohe Regelgenauigkeit hinsichtlich thermodynamischer Parameter (Druck und Temperatur),
• der Integration flexibler, schnell wechselbarer Turbulenzsiebe zur Turbulenzvariation,
• der Einbringung statischer oder rotierender Nachlaufgeneratoren zur Untersuchung von Wechselwirkung von Sonden und Freistrahl, insbesondere auch die Nachlauflänge bzw. das Impulsdefizit und Breite (Formfaktor) die z.B. zur Anregung strukturmechanischer Schwingungen in stromab liegenden Schaufelreihen führen kann,
• die Möglichkeit der Bewertung transienter Sondenmessungen,
• der optischen Zugänglichkeit zur z.B. Untersuchung des Folgeverhaltens unterschiedlicher Seedingfluide,
• der Messtechnikentwickelung zur Erfassung von Tröpchenverteilung, Folgeverhalten und Größe z.B. für Abscheider bei Brennstoffzellensystemen und
• der Entwickelung von z.B. kleinen Sonden zur Temperaturmessung (inkl. Aerodynamik) für BZ-Aufladeaggregate.

Die unten verlinkte Abbildung stellt den Aufbau der Messstrecke des beatragen iHGK schematisch dar. Diese besteht aus einem Freistrahl innerhalb einer größeren Druck-Kammer. Die zylindrische Kammer ist von zwei Seiten zugänglich und ermöglicht die Befestigung von Sondenhaltern. Eine über Schrittmotoren angesteuerte Mechanik ermöglicht die Verstellung der Sonden in drei Raum-Richtungen und um zwei Winkel (Anstell- und Gierwinkel). Durch leicht auswechselbare, konvergente und konvergent-divergente,achsensymmetrische Düsen, mit einem maximalen Durchmesser von 100 mm kann sowohl der sub- als auch der supersonische Mach-Zahl-Bereich abgedeckt werden. Durch die Druckregelung innerhalb der Beruhigungskammer wird eine angepasst Düsenabströmung zur Vermeidung von Nachexpansion oder Stoßsystemen bei supersonischem Betrieb erreicht. Das mittlere Kontraktionsverhältnis von der Beruhigungskammer zum Düsenaustritt beträgt etwa 16. Die Integration eines Turbulenzgitters und statischer oder rotierender Nachlaufgeneratoren in die Zuströmung der Messstrecke dienen der besseren Modellierung der Strömungsbedingungen im Versuchsstand.  Zur Druckrückgewinnung schließt sich an den Freistrahl ein Diffusor mit einem verstellbaren Einsatz an. Optische Zugänge in der Messkammer sollen die Messung des Strömungsfeldes mithilfe nicht-invasiver optischer Messtechniken, z.B. Particle Image Velocimetry (PIV), Laser-2-Fokus-Anemometrie (L2F) oder Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), ermöglichen.

Hier finden Sie den schematischen Aufbau der Messstrecke

Der bewilligte iHGK soll innerhalb des bestehenden Prüfstands für Aufladesysteme betrieben werden. Hierdurch ist eine kosteneffiziente Umsetzung des Vorhabens und eine vom Versuchsbetrieb der weiteren Prüfstandsinfrastruktur unabhängige, vollautomatisierte Kalibrierung möglich. In der nachfolgenden Tabelle finden sich die allgemeinen Leistungsdaten und der einstellbare Mach- und Reynolds-Zahl-Bereich des iHGK.

Tabelle 1: Leistungsdaten des iHGK