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Energieeffiziente Magnetlagerungen für Anwendungen unter extremen Umgebungsbedingungen - Verifikation und Experimentelle Validierung

Allgemeine Informationen

Projektnummer 61007315
Projekttitel laut Förderbescheid Energieeffiziente Magnetlagerungen für Anwendungen unter extremen Umgebungsbedingungen - Verifikation und Experimentelle Validierung
Akronym Turbomaschinen
Projektlaufzeit 01.07.2019 - 30.06.2021
Forschungsschwerpunkt Energie und Umwelt
Projektkategorie Forschung
Zuordnung
Kompetenzfeld Energie und Umwelt
Themengebiet Energieversorgung
Grundeinheit Institut für Prozeßtechnik, Prozeßautomatisierung und Meßtechnik

Inhaltliche Projektbeschreibung

Neben der Substitution nichtregenerativer fossiler Energieträger bei der Energieversorgung spielt die Erhöhung der Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen sowohl bei der Energiebereitstellung als auch bei deren Nutzung beim Anwender eine wesentliche Rolle für die Erreichung der anvisierten Klimaziele. Der Einsatz verlustarmer Magnetlager ermöglicht eine Wirkungsgraderhöhung von Maschinen infolge der inhärenten Lagereigenschaften, wie bspw. Berührungs-, Reibungs- und Verschleißfreiheit einerseits und dem daraus resultierenden Wegfall von Nebenanlagen bei konventionell gelagerten Aggregaten, wie bspw. Nebenanlagen zur Ölversorgung der Lagerung andererseits. Zudem kann dadurch die Anlagensicherheit erheblich erhöht werden, da die Brandmasse (Ölhaltung) in der Anlage entfällt. Hierbei besteht die Herausforderung darin, die Magnetlager für Einsatzbedingungen zu ertüchtigen, wie sie bspw. in Dampfturbinen (hohe Temperaturen) oder in Windkraftanlagen (Witterungseinflüsse wie große Temperaturschwankungen oder wasser-/salzhaltige Atmosphäre) auftreten.
 
Aufbauend auf den Ergebnissen des vorangegangenen Projektes (vgl. Jahresforschungsbericht 2019) mit den Schwerpunkten Grundlagenuntersuchungen, Modellierung und Simulation werden in diesem Projekt weiterführende theoretische und experimentelle Untersuchungen im Hinblick auf die Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Magnetlagerung beim Einsatz unter o. g. Bedingungen im Sinne einer Verifikation und experimentelle Validierung der Ergebnisse durchgeführt. Gesamtziel dabei ist es, Lösungen bereitzustellen, welche die Langzeitstabilität von Magnetlagerungen bei hohen Temperaturen und aggressiver Atmosphäre bei gleichzeitiger Gewährleistung der Sicherheit ermöglichen. Schwerpunkte der Untersuchungen dabei sind der Test der Isolier- und Leiterwerkstoffe für Magnetlager und Sensorik unter praxisrelevanten Einsatzbedingungen und die materialtechnische und konstruktive Gestaltung der Fanglager. Daneben soll die Energieeffizienz von Maschinen durch die Erschließung automatisierungstechnischer Potenziale gesteigert werden. Hier kommen Algorithmen, wie bspw. künstliche neuronale Netze zur Abbildung künstlicher Intelligenz, zur Anwendung. Diese werden mit Modellen der realen Prozesse („virtueller Zwilling“ oder „digitaler Zwilling“) gekoppelt. So sollen Betriebszustände in Echtzeit bewertet, Prognosen zur Fahrweise erstellt und autonome Stelleingriffe zu einer ressourcenoptimalen und sicheren Fahrweise der Anlage generiert werden.
 
Zur Erreichung der Gesamtzielstellung ist das Vorhaben in folgende Arbeitspakete gegliedert:
 
  • Arbeitspaket I: Theoretische und experimentelle Untersuchungen von Temperatureigenschaften magnetischer Materialien
  • Arbeitspaket II: Experimenteller Funktionsnachweis des induktiven Lagesensors bei thermischer Belastung
  • Arbeitspaket III: Weiterführende Untersuchungen zur Validierung des Fanglagerkomplexmodells
  • Arbeitspaket IV: Qualifizierung des Messwerterfassungssystems Maglap++
  • Arbeitspaket V: Virtualisierung in Industrieapplikation

 

Im ersten Arbeitspaket soll das Informationsdefizit bezüglich der Kennwerte und Parameter von Magnetwerkstoffen bei hohen Temperaturen beseitigt werden. Dazu sind experimentelle Untersuchungen verschiedener Materialproben zur Ermittlung des Temperatureinflusses auf die magnetischen Eigenschaften geplant. Daraus sollen Modelle für die temperaturabhängigen magnetischen Materialeigenschaften abgeleitet werden, die in den Auslegungsalgorithmen und der dynamischen Simulation eingesetzt werden.

Im zweiten Arbeitspaket wird der entwickelte induktive Lagesensor einem experimentellen Funktionsnachweis unterzogen und im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität bis zu den geplanten Einsatztemperaturen untersucht. Zur Validierung des Sensorsystems sind Experimente unter praxisrelevanten Bedingungen sowie zur Untersuchung von Einzeleffekten geplant. Dazu wird der Sensor am Versuchsstand MFPL montiert, in Betrieb genommen und für verschiedene Betriebszustände getestet. Zudem sind Langzeituntersuchungen unter thermischen Belastungen beabsichtigt.
 
Mit den im vorangegangenen Projekt erstellten Fanglagermodellen werden im dritten Arbeitspaket Simulationsrechnungen für verschiedene Randbedingungen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen. Die Ergebnisse werden genutzt, um Ableitungen für die statische und dynamische Auslegung von Fanglagern hinsichtlich der Materialauswahl und der konstruktiven Umsetzung zu treffen.
 
Im vierten Arbeitspaket wird das Ziel verfolgt, die bestehende Softwarelösung Maglap++ für Hochtemperaturmagnetlager anzupassen und einzusetzen. Dabei wird besonders die Echtzeitfähigkeit, die Daten- und Transportsicherheit sowie die Implementierung auf unterschiedlichen Hardwareplattformen (PC, eingebettete Systeme) Berücksichtigung finden.
Im letzten Arbeitspaket wird aus der beschriebenen Notwendigkeit heraus das Ziel verfolgt, Messwerte mit analytisch gewonnenen Daten aus Modellen und Datenbanken zu verknüpfen, diese auf einem Proxyserver zu veröffentlichen und final dem Anwender in einer erweiterten virtuellen Realität zur Verfügung zu stellen. Dazu soll die Synthese aus Realität und den computergestützten Erweiterungen dem Anwender visuell angeboten werden.
 
Das Projekt hat planmäßig zum 01.07.2019 begonnen und befindet sich in der Bearbeitungsphase. Erste Ergebnisse wurden im Zwischenbericht zum 30.08.2020 zusammengefasst und veröffentlicht. Infolge pandemiebedingter Verzögerungen in der Projektbearbeitung - hier speziell bei den experimentellen Arbeiten - und zur Sicherstellung der Erreichung der anvisierten Projektziele und -ergebnisse wurde das Projekt kostenneutral bis 30.06.2021 verlängert.

Weitere Daten

  • Ansprechpartner

    • Herr Prof. Frank Worlitz (Projektleitung)
    • Herr Stephan Düsterhaupt
    • Herr Hagen Hoffmann
    • Herr Holger Neumann
    • Herr Ivo Noack
    • Herr Torsten Rottenbach
    • Herr Mikhail Shmachkov
    • Herr Christian Vanek
  • Fördermittelgeber

    • 100379247 - EFRE/SMWA/SAB

      • EFRE
      • SMWA
  • Finanzierung

    • 351.258,00 €

Zurück zur Übersicht05.08.2021 04:03:23

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