DE102017122931A1

DE102017122931A1 - Verfahren zum Ermitteln von Parametern für die Modellierung einer mehrflutigen Turbinenvorrichtung

Info

Publication number: DE102017122931A1
Application number: DE102017122931.0A
Authority: DE
Inventors: Max Stadermann; Dominik Lückmann
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2018-04-12
Also published as: DE102016119342A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Parametern für die Modellierung einer mehrflutigen Turbinenvorrichtung und eine Turbinenvorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren, wobei die Turbinenvorrichtung eine Turbine, eine mit einem Turbineneingang der Turbine verbundene erste Flut und zweite Flut, eine vor der Turbine mit der ersten Flut verbundene erste Bypassleitung und eine mit der zweiten Flut verbundene zweite Bypassleitung, und ein mit der ersten Bypassleitung und der zweiten Bypassleitung verbundenes Bypassventil aufweist, umfasst die Schritte: – Verschließen der ersten Flut und der zweiten Flut hinter der Verbindung zur ersten Bypassleitung und zweiten Bypassleitung, – Bestimmen eines den Strömungsquerschnitt der jeweiligen Flut wiedergebenden Parameters in Abhängigkeit des durch erste Flut und zweite Flut in Richtung Bypassventil fließenden Massenstroms bei verschiedenen Stellungen des Bypassventils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Parametern für die Modellierung einer mehrflutigen Turbinenvorrichtung und eine Turbinenvorrichtung.
Mehrflutige Turbineneinrichtungen, insbesondere Turbineneinrichtungen mit zweiflutigen Turbinen, sind bekannt. Des Weiteren sind Turbineneinrichtungen bekannt, die ein Bypassventil aufweisen, um einen Teil des Massenstroms an der Turbine vorbeizuleiten. Des Weiteren ist es bekannt, für Turbineneinrichtungen ein Modell zu erstellen, anhand dem mittels bestimmter Eingangsparameter sich als Ausgangsparameter Zustände der Turbine ermitteln lassen.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, ein Verfahren vorzuschlagen, dass zum Ermitteln von Parametern für die Modellierung einer mehrflutigen Turbinenvorrichtung einsetzbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln von Parametern für die Modellierung einer mehrflutigen Turbinenvorrichtung, wobei die Turbinenvorrichtung eine Turbine, eine mit einem Turbineneingang der Turbine verbundene erste Flut und zweite Flut, eine vor der Turbine mit der ersten Flut verbundene erste Bypassleitung und eine mit der zweiten Flut verbundene zweite Bypassleitung, und ein mit der ersten Bypassleitung und der zweiten Bypassleitung verbundenes Bypassventil aufweist, umfasst die Schritte:

– Verschließen der ersten Flut und der zweiten Flut hinter der Verbindung zur ersten Bypassleitung und zweiten Bypassleitung,
– Bestimmen eines den Strömungsquerschnitt der jeweiligen Flut wiedergebenden Parameters in Abhängigkeit des durch erste Flut und zweite Flut in Richtung Bypassventil fließenden Massenstroms bei verschiedenen Stellungen des Bypassventils.

Vorzugsweise werden in einem weiteren Schritt die gemessenen Werte in Form eines für ein Modell verwendbaren Kennfeldes gespeichert.
„Verbunden“ im Sinne der Erfindung heißt, dass ein Fluid, für eine Turbineneinrichtung in der Regel ein Gas, zwischen den verbundenen Elementen strömen kann. „Verschließen“ heißt, dass der durch eine einer Flut zugeordneten Bypassleitung fließende Massenstrom durch einen durch eine andere Flut fließenden Massenstrom für die Messung ausreichend durch eine turbinenseitige Verbindung der Fluten, beispielsweise über eine Volute der Turbine, nicht beeinflusst wird.
Dadurch, dass die erste und zweite Flut hinter der Bypassleitung verschlossen werden, wird eine Beeinflussung der Massenströme durch eine turbinenseitige Verbindung vermieden oder zumindest ausreichend reduziert, so dass sich für unterschiedliche Öffnungsstellungen des Bypassventils eindeutige Massenströme der Fluten ergeben. Dadurch ist es möglich, einen den Strömungsquerschnitt der jeweiligen Flut wiedergebenden Parameter in Abhängigkeit des durch erste Flut und zweite Flut in Richtung Bypassventil fließenden Massenstroms bei verschiedenen Stellungen des Bypassventils mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen.
Der den Strömungsquerschnitt der jeweiligen Flut wiedergebende Parameter kann, was bevorzugt ist, ein Strömungsquerschnitt, vorzugsweise ein isentroper Strömungsquerschnitt sein, oder ein vom Strömungsquerschnitt abhängiger Parameter.
Vorzugsweise wird die erste Flut und/oder zweite Flut mit einem entfernbaren Material verschlossen, und in einem weiteren Schritt das Material nach Beenden der Messung entfernt. Dies ermöglicht es, die Turbineneinrichtung weiter zu verwenden. Als Material bevorzugt ist Silikon oder ein silikonhaltiges Material.
Die erfindungsgemäße Turbineneinrichtung umfasst eine Turbine, eine mit einem Turbineneingang der Turbine verbundene erste Flut und eine zweite Flut, eine vor der Turbine mit der ersten Flut verbundene erste Bypassleitung und eine mit der zweiten Flut verbundene zweite Bypassleitung, und ein mit der ersten Bypassleitung und der zweiten Bypassleitung verbundenes Bypassventil, wobei die erste Flut und die zweite Flut hinter der Verbindung zur ersten Bypassleitung und zweiten Bypassleitung mit einem Material verschlossen ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand mehrere Figuren erläutert. Dabei zeigt
1 schematisch eine Prüfstandsanordnung mit einer Turbinenvorrichtung,
2 ein Diagramm, das den Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit eines Massenstromverhältnisses darstellt, und
3 eine Aufsicht auf den Eingang einer Volute einer Turbine der Turbineneinrichtung.
Die 1 zeigt schematisch eine Prüfstandsanordnung mit einer Turbinenvorrichtung 1.
Die Turbineneinrichtung 1 umfasst eine Turbine 2, eine mit einem Turbineneingang der Turbine 2 verbundene erste Flut 3 und zweite Flut 4, eine vor der Turbine 2 mit der ersten Flut 3 verbundene erste Bypassleitung 5 und eine mit der zweiten Flut 4 verbundene zweite Bypassleitung 6, und ein mit der ersten Bypassleitung 5 und der zweiten Bypassleitung 6 verbundenes Bypassventil 7. Das Bypassventil 7 ist ausgangsseitig mit einer Leitung 9 verbunden. Die Leitung 9 ist ebenfalls mit einem Turbinenausgang der Turbine 2 verbunden.
Die Turbineneinrichtung 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel Teil einer Turboladervorrichtung. Die Turboladervorrichtung umfasst des Weiteren einen Verdichter 10, der über einer Welle 11 mit der Turbine 2 verbunden ist. Der Verdichter 10 und die Welle 11 werden hier der Vollständigkeit halber gezeigt, sind aber für das Verfahren nicht notwendig.
Die erste Flut 3 ist eingangsseitig mit dem Ausgang eines ersten Brenners 12, die zweite Flut 4 ist eingangsseitig mit dem Ausgang eines zweiten Brenners 13 verbunden. Der erste Brenner 12 und der zweite Brenner 13 sind eingangsseitig mit einer Luft- und Erdgaskonditionierung des Prüfstands angeschlossen. Alternativ ist es möglich, die erste Flut und/oder die zweite Flut direkt an eine Gasversorgung, beispielsweise an eine Druckluftversorgung, anzuschließen.
In einem Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln von Parametern für die Modellierung einer mehrflutigen Turbinenvorrichtung, hier einer zweiflutigen Turbinenvorrichtung 1, werden folgende Schritte durchgeführt:

– Verschließen der ersten Flut 3 und der zweiten Flut 4 hinter der Verbindung zur ersten Bypassleitung 5 und zweiten Bypassleitung 6,
– Bestimmen eines den Strömungsquerschnitt der jeweiligen Flut wiedergebenden Parameters in Abhängigkeit des durch erste Flut 3 und zweite Flut 4 in Richtung Bypassventil 7 fließenden Massenstroms bei verschiedenen Stellungen des Bypassventils 7.

In diesem Ausführungsbeispiel werden die erste Flut und die zweite Flut mit einem entfernbaren Material fluiddicht verschlossen. Nach der Messung wird das Material in einem weiteren Schritt entfernt, so dass die Turbineneinrichtung weiter verwendet werden kann. Bei dem Material handelt es sich um ein Material, das sich ohne Beschädigung der Turbineneinrichtung 1 und ohne nennenswerte Rückstände entfernen lässt, beispielsweise Silikon. Bevorzugt wird das Material 8 in einem Eingangsbereich einer Volute der Turbine 2 eingebracht, siehe 3. Damit ist sichergestellt, dass über die Turbine 2 keine nennenswerte Beeinflussung des Massenstromflusses in einer Flut durch den Massenstromfluss in einer anderen Flut stattfindet.
Für verschiedene Öffnungsstellungen des Bypassventils, beispielsweise 100% (offen), 60%, 40%, 20%, 15%, 10% und 5%, wird für unterschiedliche Massenströme durch die erste Flut und die zweite Flut ein Massenstromverhältnis bestimmt, und für die erste Flut 3 und die zweite Flut 4 ein isentroper Strömungsquerschnitt bestimmt. 2 zeigt ein Diagramm, das den Strömungsquerschnitt S3 der ersten Flut 3 und den Strömungsquerschnitt S4 der zweiten Flut 4 in Abhängigkeit eines Massenstromverhältnisses MFR darstellt.
Der Strömungsquerschnitt kann beispielsweise über den jeweiligen Massenstrom ṁ_WG des für die Messung verwendeten Gases in der ersten Flut und der zweiten Flut, den Druck in der jeweiligen Flut vor dem Bypassventil 7 und den Druck hinter dem Bypassventil 7 (in der Leitung 9), die Temperaturen T des Gases in der jeweiligen Flut und die Stoffwerte κ, R des Gases (den isentropen Exponenten), und der Dichte ρ des Gases berechnet werden, bsp über die Gleichung.
mit c_s = f(κ, R, T, π_WG) und ρ_s = f(ρ, κ, π_WG), wobei π_WG das Verhältnis zwischen Eintrittsdruck der jeweiligen Flut und Austrittsdruck hinter dem Bypassventil 7 beschreibt. Temperaturen und Drück sind über Messungen mittels an sich bekannter Sensorik bestimmbar. Die Massenströme können ebenfalls über bekannte Messsysteme, wie beispielsweise eine Luftuhr, bestimmt werden.
In einem weiteren Schritt werden die bestimmten Werte in Form eines für ein Modell verwendbaren Kennfeldes gespeichert. Ein solches Kennfeld kann beispielsweise verwendet werden, um einen Ladungswechsel eines Verbrennungsmotors, der eine Turbineneinrichtung 1 aufweist, zu modellieren. Die Verwendung eines solchen Kennfeldes ist aber auf diese spezielle Anwendung nicht beschränkt.
Alternativ ist es möglich, anstatt eines Strömungsquerschnittes ein vom Strömungsquerschnitt abhängigen Parameter zu bestimmen. Anstatt eines Massenstromverhältnisses MFR kann eine andere Abhängigkeit von den Massenströmen gewählt werden, beispielsweise auch ein korrigiertes/reduziertes Massenstromverhältnis, das eine Temperatur berücksichtigt. Als eine weitere Alternative könnte man an Stelle des Massenstromverhältnisses das Strangdruckverhältnis π_Strang verwenden, wobei das Strangdruckverhältnis über
definiert werden kann, wobei π_Flut1 und π_Flut2 das Verhältnis zwischen Eintrittsdruck der jeweiligen Flut und Austrittsdruck hinter dem Bypassventil 7 beschreibt.
Die Turbineneinrichtung 1 kann insbesondere eine Turbineneinrichtung für ein Kraftfahrzeug, für ein Stationärmotor oder ein Baufahrzeug sein.

Claims

Verfahren zum Ermitteln von Parametern für die Modellierung einer mehrflutigen Turbinenvorrichtung, wobei die Turbinenvorrichtung eine Turbine, eine mit einem Turbineneingang der Turbine verbundene erste Flut und zweite Flut, eine vor der Turbine mit der ersten Flut verbundene erste Bypassleitung und eine mit der zweiten Flut verbundene zweite Bypassleitung, und ein mit der ersten Bypassleitung und der zweiten Bypassleitung verbundenes Bypassventil aufweist, umfassend die Schritte: – Verschließen der ersten Flut und der zweiten Flut hinter der Verbindung zur ersten Bypassleitung und zweiten Bypassleitung, – Bestimmen eines den Strömungsquerschnitt der jeweiligen Flut wiedergebenden Parameters in Abhängigkeit des durch erste Flut und zweite Flut in Richtung Bypassventil fließenden Massenstroms bei verschiedenen Stellungen des Bypassventils.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem weiteren Schritt die bestimmten Werte in Form eines für ein Modell verwendbaren Kennfeldes gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Flut und/oder zweite Flut mit einem entfernbaren Material verschlossen wird, und in einem weiteren Schritt das Material nach Beenden der Bestimmung entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein den isentropen Strömungsquerschnitt der jeweiligen Flut wiedergebender Parameter bestimmt wird.
Turbinenvorrichtung, umfassend eine Turbine, eine mit einem Turbineneingang der Turbine verbundene erste Flut und eine zweite Flut, eine vor der Turbine mit der ersten Flut verbundene erste Bypassleitung und eine mit der zweiten Flut verbundene zweite Bypassleitung, und ein mit der ersten Bypassleitung und der zweiten Bypassleitung verbundenes Bypassventil, wobei die erste Flut und die zweite Flut hinter der Verbindung zur ersten Bypassleitung und zweiten Bypassleitung mit einem Material verschlossen ist.