Druckmessung in einer kraftstoffflexiblen Mikrogasturbine
Anders als konventionelle Elektrofahrzeuge, die ausschließlich auf Batterien angewiesen sind, erzeugt das Konzept des Teams elektrische Energie durch die Verbrennung nachhaltiger Kraftstoffe in einer speziell entwickelten Brennkammer. Die dabei entstehenden heißen Gase treiben eine Turbine an, die wiederum einen Generator mit Energie versorgt. So entsteht ein kompaktes System zur Reichweitenverlängerung, das mit verschiedenen erneuerbaren Kraftstoffen betrieben werden kann.
Hochtemperatur-Druckmessung für nachhaltige Energieerzeugung
Um die Leistungsfähigkeit des Systems zuverlässig zu validieren, waren präzise Druckmessungen bei hohen Temperaturen unverzichtbar. Althen Sensors & Controls lieferte Hochtemperatur-Drucksensoren mit Temperaturisolatoren, die auch an Messstellen zuverlässige Druckmessungen ermöglichten, an denen herkömmliche Drucksensoren aus Sicherheitsgründen nicht eingesetzt werden konnten.
Energie aus nachhaltigen Kraftstoffen
Das Eco-Runner Team Delft gehört zu den renommierten Dream Teams der Technischen Universität Delft und setzt sich aus Studierenden verschiedener ingenieurwissenschaftlicher Fachrichtungen zusammen. Jedes Team arbeitet ein akademisches Jahr lang an der Konzeption, Entwicklung und Validierung eines neuen nachhaltigen Mobilitätskonzepts.
Das Team XVI verfolgte das ambitionierte Ziel, die Praxistauglichkeit einer kraftstoffflexiblen Mikrogasturbine zu demonstrieren, die elektrische Energie effizient aus nachhaltigen Kraftstoffen erzeugen kann. Dafür mussten eine vollständig neue Brennkammer und ein neues Turbinensystem entwickelt werden, die selbst extrem anspruchsvollen Betriebsbedingungen standhalten.
Druckverhalten im System verstehen
Im Laufe der Entwicklung wurde es entscheidend, das Druckverhalten im gesamten System präzise zu erfassen. Herkömmliche Drucksensoren eignen sich in der Regel nicht für den direkten Einsatz in der Nähe von Hochtemperatur-Verbrennungsprozessen. Für das Projekt wurden daher Sensoren benötigt, die den Druck zuverlässig messen und gleichzeitig vor der extremen thermischen Belastung geschützt sind. Der Althen-Drucksensor mit integriertem Temperaturisolator bot hierfür die passende Lösung.
Herausforderungen und Messanforderungen
Das Entwicklungsteam benötigte präzise Druckmessungen, um folgende Parameter zu bestimmen:
- das Druckverhältnis des Verdichters,
- den Druckabfall über der Turbine,
- den Verbrennungswirkungsgrad,
- die Gesamtleistung des Systems,
- die Optimierung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses,
- die Validierung der Simulationsmodelle.
In Kombination mit Temperatur- und Massenstrommessungen ermöglichten die Druckdaten den Ingenieurinnen und Ingenieuren, den thermodynamischen Wirkungsgrad zu analysieren und die realen Messergebnisse mit den zugrunde liegenden Auslegungsberechnungen zu vergleichen. Die erfassten Messdaten bildeten zudem eine wichtige Grundlage für die weitere Optimierung der Brennkammer und der Mikrogasturbine.
Hochtemperatur-Drucksensoren
Althen lieferte zwei Hochtemperatur-Drucksensoren des Typs AHI2200, die jeweils mit einem Temperaturisolator kombiniert wurden. Der AHI2200 basiert auf der Silicon-on-Sapphire-Sensortechnologie und wurde für präzise Druckmessungen unter anspruchsvollen Hochtemperaturbedingungen entwickelt. Der Sensor erreicht eine Genauigkeit von 0,1 % und ist für Umgebungs- und Medientemperaturen von bis zu 200 °C ausgelegt.
Die Temperaturisolatoren sorgten für eine zusätzliche thermische Entkopplung zwischen dem heißen Gassystem und den Drucksensoren. Dadurch konnten die Sensoren nahe am Verbrennungsprozess installiert werden, während ihre direkte Belastung durch die höchsten Temperaturen deutlich reduziert wurde.
Die beiden Sensoren erfassten den Druck an zwei unterschiedlichen Messstellen der Mikrogasturbine:
- hinter der Brennkammer,
- unmittelbar hinter der Turbine.
Durch den Vergleich dieser Messwerte mit weiteren Druckmessungen im System konnte das Team sowohl das Druckverhältnis des Verdichters als auch den Druckabfall über der Turbine bestimmen.
Implementierung
Die Sensoren wurden während der Systementwicklung in den Prüfaufbau der Mikrogasturbine integriert. Die kontinuierlich erfassten Druckwerte wurden gemeinsam mit Temperatur- und Massenstromdaten ausgewertet, um folgende Aspekte zu beurteilen:
- die Leistung des Verdichters,
- den Wirkungsgrad der Turbine,
- die Verbrennungsleistung,
- das Gesamtverhalten des Systems.
Während des gesamten Entwicklungsprozesses verglich das Team die Messwerte mit Simulationsergebnissen und technischen Berechnungen. Auf diese Weise ließ sich die Leistungsfähigkeit der entwickelten Brennkammer zuverlässig überprüfen.
Stabile und zuverlässige Druckmessungen
Während des gesamten Testprogramms arbeiteten die Drucksensoren wie vorgesehen. Trotz der anspruchsvollen Betriebsbedingungen und hohen Temperaturen lieferten sie stabile und zuverlässige Messwerte, die weitgehend mit den Ergebnissen der Simulationen übereinstimmten.
Mithilfe der erfassten Daten konnte das Eco-Runner Team Delft die Leistungsfähigkeit der Brennkammer erfolgreich validieren und bestätigen, dass sich das Gesamtsystem entsprechend der Auslegung verhielt.
Die verifizierten Druckmessungen bildeten einen wichtigen Meilenstein in der Weiterentwicklung der Mikrogasturbine. Sie trugen entscheidend dazu bei, dass das Team schließlich mit einem kraftstoffflexiblen Verbrennungssystem erfolgreich elektrische Energie erzeugen konnte.
„Die Zusammenarbeit mit Althen war schnell, unkompliziert und äußerst professionell. Bereits beim ersten Kontakt unterstützten uns die Ingenieure aktiv dabei, unsere messtechnische Herausforderung zu durchdenken und zügig eine geeignete Lösung zu finden. Die Kommunikation während des gesamten Projekts war klar, effizient und praxisorientiert. Besonders wertvoll war für unser Team, dass Althen den Fokus auf das technisch Machbare legte, anstatt sich ausschließlich auf standardisierte Lösungen zu beschränken.“
Grundlage für die weitere Entwicklung
Die unter realen Betriebsbedingungen gewonnenen Druckdaten lieferten dem Eco-Runner Team Delft wichtige Erkenntnisse über das Zusammenspiel von Brennkammer, Turbine und Verdichter. Abweichungen zwischen den berechneten und den tatsächlich gemessenen Werten konnten dadurch frühzeitig erkannt und gezielt untersucht werden.
Gleichzeitig schufen die Messergebnisse eine belastbare Grundlage für die weitere Optimierung der Mikrogasturbine. Sie unterstützen das Team dabei, zukünftige Ausführungen effizienter auszulegen, die Verbrennung weiter zu verbessern und das System an unterschiedliche nachhaltige Kraftstoffe anzupassen.
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