Am Institut für Antriebstechnik des DLR in Köln erstreckt sich die Bandbreite von Verdichteruntersuchungen von der Ermittlung des Verdichterkennfeldes über detaillierte Strömungsfeldmessungen bis hin zu Sonderanwendungen, wie z.B. aktive Lärmkontrolle oder gegenläufige Propfans.
Für die experimentelle Untersuchung von Axialmaschinen steht der Mehrstufen-Zweiwellen-Axialverdichterprüfstand (M2VP – Abbildung 2) zur Verfügung. Dieser Prüfstand ermöglicht nicht nur die Untersuchung eines ein- oder mehrstufigen Verdichters, sondern es können auch gegenläufige Verdichter und Fans oder z.B. Niederdruck-Hochdruck-Verdichter-Kombinationen mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden.
Die Antriebseinheit besteht aus zwei Elektromotoren, die über eine Getriebekombination auf zwei konzentrisch laufende Wellen des Verdichterprüfstandes wirken (Abbildung 1). Die Drehzahlen der beiden Motoren sind unabhängig voneinander stufenlos von 0 bis 2000 1/min einstellbar. Die Drehrichtung ist beliebig wählbar. Über einen einfachen Kopplungsmechanismus am Hohlwellen-Kernwellen-System können beide Motoren auch auf einen Wellenstrang wirken.
Abbildung 1: Antriebsmotoren & Getriebe
Die Leistung der Motoren beträgt bei Nenndrehzahl jeweils 5 MW, so dass bei Koppelbetrieb bis zu 10 MW zur Verfügung stehen. Je nach Radsatzkombination in den Getrieben können abtriebsseitig Drehzahlen bis zu 20200 1/min erreicht werden.
Abbildung 2: Ansaugturm und Beruhigungskammer
Weitere Daten sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. Abbildung 4 zeigt das Flussdiagramm des Prüfstandes
Technische Daten
2 Elektromotoren jeweils
max. 5
MW
Absauggebläse
max. 1,8
Eintrittsdruck
0,3 bis 1,0
bar
Verdichterdurchmesser
max. 1
m
Verdichterdrehzahl
max. 20200
1/min
Massendurchsatz
max. 180
kg/s
Verdichteraustrittstemp.:
max. 600
K
Beruhigungskammer
L=18m
D=8m
Abbildung 3: 4,5-stufiger Axialverdichter einer stationären Gasturbine
Abbildung 4: Offener Kreislauf
Die Luft wird über den Ansaugturm aus der Atmosphäre angesaugt und strömt durch eine 90°-Umlenkung in die Beruhigungskammer. Wenn notwendig kann dort eine Eintrittsdrossel zur Absenkung des Totaldruckes eingebaut werden z.B. um die Leistungsaufnahme des Versuchsverdichters zu senken. Über eine Düse (Bell-mouth) gelangt die Luft zum Versuchsverdichter. Numerische Strömungsuntersuchungen zeigen die Qualität des Zuströmsystems zum Versuchsverdichter (Falschfarbdarstellung in Abbildung 4). Für spezielle Untersuchungen wie akustische Tests, Detailmessungen zu Wechselwirkungen von Stoß-Wirbelsystemen muss der Turbulenzgrad mit einem entsprechenden Gleichrichter (TCS) verbessert werden. Neben der Drehzahlregelung der Antriebsmotoren dient die Austrittsdrossel nach dem Prüfling der Betriebspunkteinstellung. Es handelt sich um eine elektrisch angetriebene Zylinderdrossel. In diesem Bereich wurde ein neu entwickeltes Pumpschutzsystem eingebaut. Dieses soll das Verdichterpumpen nicht komplett vermeiden, da dies häufig Gegenstand der Untersuchungen ist, sondern die Anzahl der Pumpstöße pro Anfahren der Stabilitätsgrenze auf ein Minimum reduzieren.
Die Luft wird nach der Drossel über einen Schalldämpfer wieder in die Umgebung abgeblasen. Für Verdichter und Fans mit kleinem Totaldruckverhältnis und entsprechend hohem Massenstrom kann ein zusätzliches Gebläse zum Überwinden der Druckverluste im Rohrleitungssystem dazu geschaltet werden, welches sich hinter dem Sammelgehäuse befindet. Die Ausblasung erfolgt dann über einen weiteren Abblaseturm mit Schalldämpfer. In dieser Betriebsart ist ein Massenstrom von maximal 180 kg/s möglich.
Das Institut verfügt inzwischen über mehrere Verdichterrigs, welche – hervorragend instrumentiert - fast den gesamten Bereich bezüglich Flugtriebwerke und stationärer Gasturbinen abdecken: