AG Turbo: "Optimierung des Gesamtwirkungs­grades von Mehrwellenver­dichtern"

Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Konrad Vogeler
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Thorsten van Lil
Wissenschaftliche Kooperation:	AG Turbo
Finanzierung:	MAN Diesel & Turbo SE, BMWi
Bearbeitungszeitraum:	06/10 - 06/12

Mehrwellenverdichter, wie in der nebenstehenden Abbildung zu sehen, werden bei MAN Diesel & Turbo SE bereits seit mehr als 30 Jahren zur Kompression von verschiedenen Gasen eingesetzt.. Insbesondere haben sie sich dabei bei MAN für die Kompression von CO2 bis zu Drücken von 200 bar bewährt. Die Besonderheit bei den auch Getriebeverdichter genannten Maschinen ist dabei, dass mehrere Wellen um ein Großrad angeordnet sind und von diesem angetrieben werden. Da jeweils an den Enden der Wellen ein radiales Laufrad sitzt, kann spätestens nach zwei Stufen die Drehzahl erhöht werden. Dadurch können die Laufräder jeweils mit optimierten Volumenstrom-koeffizienten und damit in einem optimierten Wirkungs-gradbereich betrieben werden. Außerdem bietet die Bauweise die Möglichkeit hinter jede Stufe eine Zwischenkühlung einzubauen, so dass eine Annäherung an die isotherme Verdichtung möglich ist.
 
Durch die ständigen Schwankungen der Betriebsparameter wie dem Umgebungsdruck oder der Umgebungstemperatur unterliegt der Getriebeverdichter Schwankungen am Saugstutzen, die sich nicht verhindern lassen. Das führt unteranderem auch zu Schwankungen des Gesamtwirkungsgrads.

Ziel des Projektes ist es daher, durch probabilistische Untersuchungen und Optimierung, den Wirkungsgrad nicht nur zu erhöhen sondern ihn auch zu stabilisieren. Dazu muss jedoch der Getriebeverdichter als Gesamtsystem mit seinen unterschiedlichen Disziplinen wie der Aerodynamik, Thermodynamik und Mechanik verstanden werden. Während des Auslegungsprozesses ist eine Kopplung der einzelnen Disziplinen teilweise nur manuell möglich, so dass Wechselwirkungen schwierig zu erfassen sind.

Mithilfe probabilistischer Untersuchungen werden daher innerhalb des Forschungsvorhabens die Zusammenhänge zwischen Eingangs- und Ergebnisgrößen aufgedeckt. Wobei als probabilistische Untersuchungsmethode die Monte-Carlo-Simulation (MCS) verwendet wird. Als deterministisches Modell für die MCS dient dabei eine Kombination der verwendeten Auslegungsprogramme für Getriebeverdichter. Daher ist es erforderlich einen Algorithmus zu erstellen, welcher die unterschiedlichen Programme mit den benötigten Eingangsgrößen versorgt und sie anschließend startet. Die Eingangsgrößen werden in Absprache mit dem Kooperationspartner MAN Diesel & Turbo SE festgelegt. Zur Bestimmung der Verteilungsfunktionen dieser Größen wiederum werden umfangreichen Messkampagnen herangezogen und ausgewertet.

Aus den gewonnen Simulationsergebnissen soll in der finalen Phase des Projekts eine Optimierung stattfinden. Dazu muss eine geeignete Optimierungsstrategie gefunden werden, was jedoch erst möglich ist, wenn alle Einzelschritte der Auslegung in das deterministische Modell aufgenommen worden sind.