LS Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe
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One-Dimensional Thermodynamic Cycle Analysis of Micro Gas Turbine (MGT) for Small Power Plant
(2015)
The energy demands worldwide and especially in
developing countries are significantly increased, whereas the
numbers of electricity supply are not enlarged at
Together with the decentralized ideal of the forthcoming power plants, the 100kW micro gas turbine (MGT) could be one of the solutions for the future. Based on the multi
development project for small power plants, the 1D simulation of the overall system with MATLAB has been performed to utilize as an analysis tool for optimizing the thermodynamic cycle of the system. At the beginning the code has been validated with the commercial program for power plant simulation, called EBSILON Professional. The result shows that they are compatible in the same direction. The next part illustrates the comparing result of the efficiency on the whole system, when turbine inlet temperature has changed. The results show that higher turbine inlet temperature provides also higher global efficiency. However, the minimum efficiencies, which are obtained on each specific turbine inlet temperature, are not corresponded at the same pressure ratio. In the latter section, the
effect of fuel types is also considered on the output efficiency. The results show that to maintain the output efficiency on each fixed turbine inlet temperature the fuel mass flow rate has to be increased in reciprocal to their lower heating values. However, in the lower range of their mass flow rate the increment of efficiency is not proportional to the addition of fuel.
Schwerpunkt des Beitrages ist die Entwicklung und Applikation eines alternativen Energieumwandlungskonzeptes. Dieses basiert auf einer kompakten vielstofffähigen Mikrogasturbinen (MGT)- Technologie, welche über einen internen Wärmetausch einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht und durch eine weitere Prozesshybridisierung (durch eine eingebettete SOFC) den „Energiewandler der Zukunft“ darstellt. Es wird die luftgelagerte MGT-Generator-Basistechnologie beschrieben, der darauf aufgebaute MGT-SOFCHybrid-Prozess simuliert, eine kompakte Abwandlung mit integriertem Generator dargestellt und der Familiengedanke aufgegriffen. Die Konzepte basieren auf einer Luftlagertechnologie in Verbindung mit einem direkt von der Turbomaschine angetriebenen Generator und einem Rekuperator, welcher die Abgaswärme wieder in den Prozess zurückführt. Sie liefern die notwendige Grundlage für einen hoch effektiven, reinen Mikrogasturbinenprozess (MGT-Prozess) und den „MGT-SOFC-Hochwirkungsgrad-Prozess“. Neben der luftgelagerten Mikrogasturbinen-Generatorbauart, stellt insbesondere die SOFC eine wichtige Schlüsseltechnologie dar. Der Begriff SOFC steht für „Solid Oxide Fuel Cell“ (Festoxid-Brennstoffzelle). Dieser Brennstoffzellentyp arbeitet bei einer sehr hohen Temperatur (700 °C bis 1000 °C) und erlangt einen sehr hohen Wirkungsgrad, wenn man die Verlustwärme und den nicht konvertierten Brennstoff durch eine geschickte Integration mit dem MGT-Prozess weiter verwertet. Um den maximal möglichen Wirkungsgrad der hybriden Bauweise aufzuzeigen, wird zunächst der idealisierte Wärmekraftmaschinen-Brennstoffzellen-Prozess dargestellt. Danach wird die zum gegenwärtigen Zeitpunkt vorhandene Basistechnologie beschrieben und verschiedene, darauf beruhende reale Prozesse für die Verstromung von Methan (Erdgas) simuliert. Hierbei werden die hohen Wirkungsgradpotentiale (elektrisch) dieser realen Prozesse (bis ca. 80 %) aufgezeigt. Der Beitrag endet mit der kurzen Darstellung einer Energiewandlerfamilie im Bereich 20 KW bis 0,8 MW (zukünftig bis 2,3 MW) und einem Ausblick auf den neuen Markt der Zukunft, sowie mit einer Empfehlung zum Aufbau eines interdisziplinären Forschungsnetzwerkes.
Capable of high-speed and high-temperature operation, together with an "oil-free" technology concept, gas foil bearings are a perfect solution for a novel light weight (small scale) turbo machinery. While the gas film geometry and the pressure build-up are similar to other gas lubricated bearings, and as it has been well formulated
in the hydrodynamic lubrication theory, the compliant structure of the foil bearings have a variety of forms and characteristics. The cantilever-type of foil bearings are one sort of foil bearings that uses a pattern of small cantilever beams as support structure which is very robust and eases the manufacturing process. The aim of this paper is to present a measurement method and results of structural stiffness and damping characteristics of exemplary 50 mm tree-lobes radial foil bearings. Static structural test result shows that the bearing has a wide range of linear stiffness in the bearing's center area. The ramp of cartridge inner surface contour causes a cross coupling effect which may cause instability by a large rotor orbit. Increasing in bear - ing preload result in slightly increasing in static stiffness. In dynamic excitation test, the result shows that the dynamic stiffness is about three times higher than the static one. With a simple model of dry friction, the result shows that the dry friction coefficient is in a range of 0.4 to 0.7. The result also shows that the dynamic stiffness is more sensitive to vibration amplitude than frequency. While the damping decreases significantly with exciting frequency, especially at the vicinity of the rigid body resonance. The result evidence that the magnitude of displacement has a great effect on damping. As displacement amplitude decreases, the bearing is better in damping.
Bei der Neugestaltung unserer zukünftigen Lebensräume sucht die Forschung nach neuartigen Lösungen für die bodengebundene Mobilität. Weiterhin spielt die Erforschung umweltverträglicher Antriebstechnologien für die Luftfahrt der Zukunft eine wichtige Rolle. Neben den rein elektrischen Antrieben stehen insbesondere fortschrittliche hybride Antriebssysteme im Vordergrund. Systemlösungen werden kurz- bis mittelfristig für die unbemannten Flugzeuge und die allgemeine Luftfahrt benötigt. Es werden effiziente Flugantriebssysteme benötigt, die gegenüber aktuellen Antriebssystemen deutlich weniger Schadstoffe emittieren und Brennstoff-ressourcen schonen. Dabei bietet der Elektroantrieb ein großes Potenzial. Aufgrund des derzeitig ungünsti-gen Verhältnisses zwischen Gewicht und Energieinhalt bei Traktionsbatterien ist jedoch die rein elektrische Flugweise nur für einen sehr kleinen Anwendungsbereich interessant. Deshalb müssen Elektroluftfahrzeuge mit zusätzlichen Energiewandlern und Speichern ausgestattet werden, um akzeptable Reichweiten und An-triebsleistungen bei moderaten Kosten zu gewährleisten. Als zukunftsfähiges Antriebskonzept wird u.a. das hybride elektrische Antriebssystem mit Kleinenergieerzeugern zur Reichweitenverlängerung angesehen. Für den Einsatz als Range-Extender stehen unterschiedliche Konzepte zur Verfügung, die eine Umwandlung von chemischer in elektrische Energie ermöglichen. Die Spezifikation eines Range-Extenders hängt dabei sehr stark von den Anforderungen an zukünftige Antriebskonzepte ab. Das bedeutet, dass Einbauraum, Gewicht, Kosten und Vielstofftauglichkeit eine neu zu definierende Gewichtung im Auswahlprozess des Energiewand-lers erhalten. Schwerpunkt des Beitrages ist die Entwicklung und Applikation eines alternativen Energieum-wandlungskonzeptes für E-Luftfahrzeuge traditioneller Bauweise (z.B. zur Verlängerung der Reichweite bei E-Kleinflugzeugen) und für innovative Luftfahrzeuge (als systemintegraler Bestandteil). Bei diesem Konzept handelt es sich um eine Mikrogasturbinen-Generator-Einheit, welche durch einen Rekuperator (Wärmetau-scher zur Abgaswärmenutzung) einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht und durch eine weitere Prozesshybri-disierung (z.B. mit eingebetteter SOFC) auch für nicht luftfahrttechnische Bereiche interessant ist. Es werden die Mikrogasturbinen-Generator (MTG)–Basistechnologie beschrieben und die Leistung, der Wirkungsgrad und die Vielstofffähigkeit diskutiert. Außerdem wird eine kompakte Abwandlung mit integriertem Generator (sogenannte MTiG) dargestellt. Weiterhin wird die Bedeutung der Mikrogasturbinenbauart für ein zukünftiges MTG/MTiG-SOFC-Hochwirkungsgradsystem erklärt und die hohe luftfahrttechnische Tauglichkeit der kom-pakten, rekuperierten MTiG-Mikrogasturbinentechnologie für die seriellen hybriden Flugtriebwerkssysteme aufgezeigt.
Flexible dynamische Messdatenerfassung in der Verbrennungs-motoren- und Kleingasturbinenerprobung
(2002)