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Arbeitsgruppe Turbolader und Radialverdichter

Beschreibung

Radialmaschinen sind eine Schlüsselkomponente, um sowohl Fahrzeuge der nächsten Generation sparsamer zu machen als auch die Energieversorgung von morgen sicher zu stellen. Im aktuellen Trend des Downsizings werden Fahrzeugmotoren bei gleicher Leistung mit weniger Hubraum ausgeführt und höher aufgeladen, um den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu senken. Die Anforderungen an den Turbolader steigen im Zuge des Downsizings aufgrund von höheren Ladedrücken und Abgastemperaturen sowie der Forderung nach einem breiteren Betriebsbereich. Insbesondere das transiente Betriebsverhalten muss zur Verbesserung der Fahrdynamik (Vermeidung „Turboloch“) stetig verbessert werden. Zudem werden Radialverdichter größerer Bauart in Kraftwerksanlagen und zur Erdgasförderung in Pipelines eingesetzt. Dabei wird neben der Erzielung hoher Wirkungsgrade hauptsächlich Flexibilität für rasche Laständerungen gefordert. Dies ist erforderlich um den schnell ändernden Lastzyklen von Windkraft- und Photovoltaikanlagen zu folgen und damit die Stabilität des Stromnetzes zu sichern bzw. die Schwankungen im Pipelinenetz zur Herstellung eines konstanten Pipelinedrucks auszugleichen. In beiden Anwendungsfällen ist zukünftig vermehrt der Betrieb von Radialverdichtern im Teillastbereich erforderlich. Und auch als Luftversorgungssystem für Brennstoffzellen werden Radialverdichter eingesetzt, um die Systeme zur Energieversorgung von Haushalten, Fahrzeugen und Flugzeugen entsprechend der schwankenden Last dynamisch einsetzen zu können.

In der Arbeitsgruppe Turbolader und Radialverdichter liegt ein Schwerpunkt auf der Verbesserung des Teillastverhaltens von Radialverdichtern. Hierzu werden die physikalischen Strömungsphänomene an den Betriebsgrenzen numerisch und experimentell untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zur Weiterentwicklung statischer Komponenten, wie Vorleitgitter, beschaufelter Diffusor oder asymmetrischer Spirale genutzt, um den Betriebsbereich des Verdichters zu erweitern und diesen effizienter zu nutzen. Auf der Turbinenseite liegt der Fokus auf der Verbesserung des Teillastverhaltens von kleinen Turbolader-Turbinen. Neben der Weiterentwicklung klassischer Regelungsmechanismen der Turbine ist vor allem das Laufradkonzept Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Zudem spielt speziell im Turbolader das diabate Verhalten eine wichtige Rolle in den Untersuchungen, da Wärmeströme im Turbolader einen sehr starken Einfluss auf das Betriebsverhalten haben.

Im Bereich der Auslegung von kompakten Turbomaschinen liegt der Fokus auf der Weiterentwicklung bisheriger Auslegungswerkzeuge. Die Auslegung beinhaltet dabei die Erarbeitung von Prozessketten zur aerodynamischen und strukturmechanischen Auslegung sowie dem Ableiten entsprechender Auslegungskriterien. Dabei werden Simulation- und Optimierungsstrategien entwickelt, um Entwicklungszeiten zu reduzieren und Ressourcen zu sparen. Die Turbomaschinen werden abschließend als Prototypen gefertigt und experimentell untersucht.

 

Abgeschlossene Projekte

  • Abgasturbolader mit Deckband zur Verringerung der turbinenseitigen Spaltverluste
  • Anwendung der Infinite-Tube-Technique zur instationären Druckmessung in der Radialturbine eines Abgasturboladers
  • Blow-By in Abgasturboladern
  • Einfluss der Anordnung und des Betriebs auf die Pumpgrenze von Abgasturboladern
  • Experimentelle Untersuchung und erweiterte Simulation der nicht-adiabatische Leistung eines Turboladers
  • Sekundärströmungen in Turboladerturbinen mit variabler Turbinengeometrie
  • Auslegung einer Impulsturbine für einen ORC-Prozess zur Abwärmenutzung von NFZ-Motoren
  • Auslegung und Optimierung von kompakten dynamischen Kompressoren
  • Entwicklung von endoskopischem Stereo PIV zur Utnersuchung der IGV-Rotor-Interaktion in einem Radialkompressor
  • Experimentelle Untersuchungen zum Verbesserungspotential einer Radialverdichterstufe mit interner Spirale
  • Untersuchung der Pumpgrenze von Turbolader-Verdichtern und Auslegung kennfelderweiternder Maßnahmen 
  • Variable Diffusor- und Spiralgeometrien für die Kathodenluftversorgung von Brennstoffzellensystemen
  • Kompakte elektrisch angetriebene Kompressoren für die aktive Strömungsbeeinflussung autonomer Hochauftriebssysteme
  • Einflussanalyse der Schmierfilmdissipation in Turboladern

 

Laufende Projekte

  • Auslegung und Optimierung von elektrischen Luftverdichtern für Brennstoffzellensysteme
  • Entwicklung eine Rezikluationsgebläses für Brennstoffzellen
  • Transiente Vermessung von Turboladern unter pulsierender Strömung am Heißgasprüfstand
  • Experimentelle und numerische Untersuchung von innovativen Diffusor-Beschaufelungen für symmetrische und asymmetrische Spiralstufen
  • Auslegung und Optimierung eines Turboladers für Magerverbrennung

    Gruppenleitung

    Gruppenleiter

     Dipl.-Ing. Philipp Nachtigal

    Stellv. Gruppenleiter

     Markus Schödel, M.Sc.