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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 und dem daraus resultierenden Wegfall von Nebenanlagen bei konventionell gelagerten Aggregaten, wie die Ölversorgung der Lager. Zudem kann die Anlagensicherheit erhöht werden, da die Brandmasse infolge Ölhaltung in der Anlage entfällt. Die Herausforderung besteht 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 mit den Schwerpunkten Grundlagenuntersuchungen, Modellierung und Simulation wurden weiterführende theoretische und experimentelle Untersuchungen im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit der Magnetlagerung beim Einsatz unter o. g. Bedingungen durchgeführt. Gesamtziel dabei war es, die Langzeitstabilität von Magnetlagerungen unter praxisnahen Bedingungen bei gleichzeitiger Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit nachzuweisen. Schwerpunkte der Untersuchungen waren der Test der Isolier- und Leiterwerkstoffe für Magnetlager und Sensorik und die materialtechnische und konstruktive Gestaltung der Fanglager. Daneben sollte die Energieeffizienz von Maschinen durch die Erschließung automatisierungstechnischer Potenziale gesteigert werden. Hierbei kommen Algorithmen, wie bspw. künstliche neuronale Netze zur Abbildung künstlicher Intelligenz, zur Anwendung. Diese wurden 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 wurde 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 AP I wurde das Informationsdefizit bezüglich der Kennwerte und Parameter von Magnetwerkstoffen bei hohen Temperaturen beseitigt. Dazu wurden experimentelle Untersuchungen verschiedener Materialproben zur Ermittlung des Temperatureinflusses bis 500 °C auf die magnetischen Eigenschaften, wie Magnetisierungskennlinie und Hystereseschleife, durchgeführt. Die entwickelten Modelle für die temperaturabhängigen magnetischen Materialeigenschaften gestatten die Berücksichtigung aller relevanten physikalischen Effekte und werden bei der Auslegung und der dynamischen Simulation eingesetzt.

Im AP II wurde der im Vorprojekt entwickelte und gefertigte Prototyp des induktiven Hochtemperatur-Radial-/Axialsensors zzgl. der entwickelten Sensorelektronik unter den anvisierten Eisatzbedingungen von 300 °C Dauereinsatztemperatur experimentell im Langzeiteinsatz getestet. Neben dem Funktionsnachweis lag der Fokus auf dem Nachweis der Zuverlässigkeit, Unempfindlichkeit, Robustheit und Langzeitstabilität unter den o. g. Einsatzkonditionen. Der Nachweis erfolgte durch Vergleichsmessungen der aus den Sensorsignalen vor und nach den thermischen Belastungen ermittelten Kennfelder und Kalibrierfunktionen. Die Bewertung der erzielten Ergebnisse zeigte, dass der Sensor für den geplanten Einsatzfall in der Praxis funktionstauglich und als Lagesensor für Magnetlager im Hochtemperaturbereich einsetzbar und geeignet ist. Die ermittelten Sensorkennwerte entsprechen vergleichbaren, in Magnetlagern zur Anwendung kommenden Lagesensoren, die jedoch nicht diese Einsatztemperaturen erreichen.

Das im Vorgängerprojekt entwickelte und gebaute Gleitfanglager bildete die experimentelle Basis für weiterführende Untersuchungen im AP III. Ziel der Versuche am MFLP war es, einen Funktionsnachweis für das entwickelte Radialgleitfanglager zu führen. Dazu wurde das Gleitfanglager und der Versuchsstand MFLP mit zusätzlicher Sensorik instrumentiert. Neben der standardmäßig vorhandenen Sensorik zu Bestimmung der Rotorposition in den Magnetlagern erfolgte eine Erweiterung hinsichtlich der Erfassung der Temperaturen im Gleitfanglager sowie einer Kraft- und Lagemessung am Gleitfanglagergehäuse. Die Belastungen des Lagers wurde durch Rotorabwürfe bei unterschiedlichen Drehzahlen schrittweise gesteigert. Bei der Auswertung der Versuche wurde aus den Messdaten ein normierter Faktor zur Bewertung ermittelt. Aus der Bewertung der aufgenommenen Messdaten und der sich anschließenden Befundung des Lagers wurden Empfehlungen zur Gestaltung und den Aufbau künftiger Gleitfanglagerungen abgeleitet.

Im AP IV wurde das Ziel verfolgt, die bestehende Softwarelösung Maglap++ für Hochtemperaturmagnetlager anzupassen und einzusetzen. Dazu erfolgte eine Überarbeitung und Weiterentwicklung des Programmsystems hinsichtlich der Flexibilisierung des Modulkonzeptes zur Implementierung neuer Funktionalitäten, der Netzwerkorganisation, -struktur und -kommunikation, des Schnittstellenkonzeptes im Hinblick auf die Verbindung zu anderen Anwendungen sowie der Synchronisation der Netzwerkkomponenten untereinander. Im Praxistest wurde das System für die im Projekt durchgeführten Versuche am Sensor und am Fanglager eingesetzt und verifiziert. Dabei konnte die anforderungsspezifische, sichere und zuverlässige Funktion des Programmsystems nachgewiesen werden.

Die wachsende Komplexität von Systemen durch Vernetzung und der Fortschritt der Technologien auf allen Ebenen erfordert eine neue Form der Mensch-Maschine-Interaktion. Basis dafür war im AP V der MLFP. Ausgehend von der Digitalisierung des induktiven Lagesensors über den Aufbau und die Nutzung des Maglap-Netzwerkes wurde der Versuchsstand MFLP mittels der Entwicklungsumgebung Unreal als virtuelle Realität auf der Grundlage der vorhandenen digitalen Konstruktionsunterlagen modelliert und simuliert. Mit den genutzten Werkzeugen konnte die Versuchsanlage virtualisiert und durch das Hinzufügen von Mess- und Prozessdaten aus der realen Welt eine sog. Augmented Virtuality generiert werden. Für den Anwender besteht die Möglichkeit, Interaktionen mit der realen Anlage in der virtuellen Welt zu führen. Über Maglap++ lassen sich Live-Daten einblenden, künftig sollen unterschiedliche Datenquellen zusammengeführt und genutzt werden. Es wurde das Know-how erworben und die technischen Möglichkeiten geschaffen, reale Prozesse in einer erweiterten virtuellen Realität abzubilden.

Die Bearbeitung des Projektes brachte einen bedeutenden Wissenszuwachs beim Antragsteller bezüglich des Einsatzes von Magnetlagern und Sensortechnik bei Hochtemperaturanwendungen. Dieses Wissen kann für neue Forschungs- und Drittmittelprojekte eingesetzt werden.

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

    • 599.958,00 €

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