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Entwicklung eines „Numerischen Prüfstandes“ für Turbinenradgaszähler

Hoch, Toralf

Das Ziel der eingereichten Dissertation ist es, einen „Numerischen Prüfstand“ für Turbinenradgaszähler (TGZ) zu entwickeln. TGZ werden zur Volumenstrommessungen eingesetzt und die Messgenauigkeit muss über den gesamten Betriebsbereich innerhalb bestimmter Fehlergrenzen liegen. Der Messfehler über den Volumenstrom wird mit einer Fehlerkurve dargestellt. Diese wird unter realen Bedingungen auf Prüfständen ermittelt, welches sehr kostenintensiv ist. Für die Weiterentwicklung von TGZ sind Designänderungen und die Betrachtung der Auswirkung auf die Fehlerkurve notwendig. Diese Untersuchungen sind durch die Überprüfung auf Hochdruckprüfständen zeitintensiv und teuer. Für eine schnellere und kostengünstigere Entwicklung von TGZ musste ein neuartiger Ansatz gefunden werden. Die heutige Computer- und Softwaretechnik ermöglicht die Verwirklichung der Idee der Überführungen von realen Prüfständen in virtuelle, „Numerische Prüfstände“. Die eingereichte Arbeit beginnt mit der Darstellung des früheren und derzeitigen Stands der Technik hinsichtlich des eigenen Forschungsvorhabens. Daraus entwickelt sich Idee der Realisierung und Erkenntnis der Notwendigkeit solch eines Entwicklungswerkzeuges. Die Arbeit stellt die erforderlichen theoretischen Grundlagen der Turbinenradbewegung dar, in welchen die auf das Turbinenlaufrad wirkenden Kräfte betrachtet werden. Auf diese Grundlagen bauen folgende elementare Ansätze der Dissertation auf und stellen den Kern dieser dar: auf die Turbinenschaufel des Laufrades wirken Auftriebs- und Widerstandskräfte; die Grundlagen formulieren getrennte Momentengleichungen für Auftriebs (airfoil approach)- und Widerstandskräfte (momentum approach); in der vorliegenden Arbeit wird angenommen, dass kein Theorie für sich separat wirkt, sondern eine Überlagerung dieser Kräfte vorhanden ist. bei einem idealen Zähler durchströmt das Fluid den Zähler bzw. das Turbinenrad verlustfrei, d.h. ohne Turbulenz; wenn Verluste in einem realen TGZ entstehen, ist die Strömungsgeschwindigkeit vor dem Rotor höher als hinter dem Rotor; es erfolgt eine Bilanzierung der Anström- und Abströmgeschwindigkeiten über das Turbinenrad am Laufrad angreifenden Antriebskräften wirken auch Bremskräfte entgegen und verringern die Rotationsgeschwindigkeit. Hauptbremskräfte sind Lagerreibungskräfte und fließen als Momentenbeiwert in die Theorie mit ein. Die auf das Lager wirkende Kraft wurde mit Hilfe der Simulation berechnet und der „Numerische Prüfstand“ wird durch die Beachtung dieser Einflüsse genauer und realitätsnaher. Die Theorie des neuentwickelten „Numerischen Prüfstandes“ wurde in einem Computerprogramm zusammengefasst. Damit ist eine schnelle Berechnung und übersichtliche Darstellung Dank einer grafischen Benutzoberfläche der berechneten Kurven gewährleistet. Zur Validierung des „Numerischen Prüfstandes“ werden gemessene Kurven mit berechneten Kurven verglichen. Auf einem Hochdruckprüfstand wurden Fehlerkurven bei einem Prüfdruck von 1 bar und 10 bar mit dem Prüfmedium Luft aufgenommen. Bei gleichen physikalischen Randbedingungen zeigen die berechneten Kurven ein grundsätzlich ähnliches Verhalten bei verschiedenen Drücken und somit eine gute Übereinstimmung. Es konnte somit nachgewiesen werden, dass der „Numerische Prüfstand“ anwendungsfähig ist. Es wurden weitere Untersuchungen zur Überprüfung des Prüfstandsverhaltens durchgeführt und um die praxisrelevante Probleme zu lösen. Folgende drei Inhalte waren Gegenstände weiterer Analysen: Das Betriebsverhalten eines TGZ wird stark durch die Düse unmittelbar im Abströmbereich beeinflusst. Diese Düse wird durch das Messwerksgehäuse und dem TGZ - Gehäuse gebildet. In der eingereichten Arbeit wird detailliert untersucht, wie die Kanten vom Messwerksgehäuse oder des TGZ - Gehäuses die Strömung beeinflussen. Der „Numerische Prüfstand“ wurde dahingehend untersucht, dass dieser den Zusammenhang erfassen kann, dass ein positiver Fehler durch ein beschleunigtes Turbinenrad verursacht wird, und umgekehrt. In den Simulationen wurde die Umdrehungsgeschwindigkeit verringert bzw. erhöht und die Kurve konnte somit geglättet werden. Der Prüfstand kann diesen Zusammenhang demnach erfassen. Durch eine starke Vorstörung verursachter Links – oder Rechtsdrall wird das Turbinenrad beschleunigt oder gebremst. In der Arbeit wurde ein Linksdrall berechnet und als Anströmbedingung für den TGZ verwendet. Das rechtsdrehende Turbinenrad wird gebremst und die Kurve fällt vorne ab. Dieser Effekt entspricht der Erwartung durch zahlreiche Veröffentlichungen und der eigenen Erfahrung. Hier bildet der „Numerische Prüfstand“ die Realität ebenfalls gut ab. Durch die eingereichte Arbeit kann dem Entwicklungsingenieur von Turbinenradgaszählern ein neues, schnelles und kostengünstiges Werkzeug zur Verfügung gestellt. Die Nutzbarkeit des „Numerischen Prüfstandes“ ist durch Beispielrechnungen und typische ingenieurpraktische Fragen bewiesen worden.

The focus of the doctoral thesis is the development of a new computer based “Numerical Test Bench” for Turbine Gas Meter (TGM). TGM are applied for measuring the volume flow rate and the measuring error has to be within clear defined error limits for the whole range of operation. The error curve shows the measuring error for several fluid flow rates. These curves are obtained experimentally with high costs. For R&D work design changes and her effect on the error curve are necessary. The evaluation of this work on real high-pressure test benches are very time consuming and expensive. For fast and cheaper R&D work a new development of an engineering tool for TGM are required. Contemporary computer hard- and software can provide a new approach for change from real test bench to virtual “Numerical Test Bench” for TGM. The present thesis gives an overview of past and today’s technology. This knowledge makes the realization of the new idea of “Numerical Test Bench” possible. The first words are for theoretical fundamentals of rotor movement and the effected forces on turbine meter. Based on these principles following basic approaches represent the thesis: lift- and drag forces acting on turbine blade; the fundamentals formulating separate equations for each forces, the airfoil approach and momentum approach; the thesis assume no separate acting of theory but rather a superposition of forces due to ideal TGM no losses by turbulence during the flow passes the meter; in real meter turbulence affect velocity drop in tailing area of blade compared to leading area the driving force has braking force as counter force on turbine blade; calculation for braking forces are carried out in this thesis and makes the “Numerical Test Bench” more realistic. The fundamentals of “Numerical Test Bench” are programmed in software with an adequate graphical user interface. This makes a more comfortable use possible. The comparison of calculated and measured curve is important for software validation. A real high-pressure air test bench produces error curves for 1 bar and 10 bar pressure. The comparing for calculated and measured low and high-pressure curves show similar results. The “Numerical Test Bench” is feasible and useful for the specific application. Based on this further investigation for validation were calculated. Following tests were carried out to analyze engineering problems: The operation behavior of TGM depends from the nozzle after turbine wheel. Meter movement casing and TMG-casing form this nozzle. The thesis carried out investigations for the impact of the edges of the devices. Within this thesis, the speed of rotation in the CFD calculation was adjusted by increasing or decreasing to bring the curve in best condition. Pre-disturbances affect the measuring error and produce left- or right rotating swirls. If the direction of rotating the same as direction of rotation of turbine wheel the error increases and vice versa. In present work, a left swirl decreases the rotation of turbine wheel and affected a falling error curve on lower fluid flow rate. These examples demonstrate the feasibility of the “Numerical Test Bench” and provide the R&D – Engineer a novel, fast and cheaper tool.

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Hoch, Toralf: Entwicklung eines „Numerischen Prüfstandes“ für Turbinenradgaszähler. 2012.

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