InnoTurbinE - AP 1.2
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Motivation
Zur Umsetzung der Energiewende ist der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft ein zentrales Element. Der Erfolg der Wasserstoffwirtschaft hängt maßgeblich von zwei Faktoren ab: der Co2-neutralen Wasserstoff-Erzeugung und dem kostengünstigen Transport großer Mengen Wasserstoff.
Die bei Umgebungsdruck sehr geringe volumetrische Energiedichte von gasförmigen Wasserstoff macht den Transport des Wasserstoffs bei Umgebungsbedingungen unwirtschaftlich. Deshalb wird Wasserstoff in der Regel mit Verdrängungsmaschinen auf ein höheres Druckniveau gebracht. Für sehr große Volumenströme würden sich allerdings Turboverdichter besser eignen, da diese deutlich kompakter bauen und sowohl robust als aus wartungsarm sind.
Zur Verdichtung von Wasserstoff auf den selben Enddruck muss, verglichen mit z. B. Luft oder Methan, deutlich mehr Arbeit in das Fluid eingebracht werden. Um einen hohen Arbeitseintrag pro Verdichterstufe zu erreichen, müssen die Umfangsgeschwindigkeiten bei der Verdichtung von Waserstoff gegenüber heutzutage üblichen Verdichterrädern erheblich gesteigert werden. Die fliehkraftinduzierten Spannungen würden jedoch die Festigkeitsgrenzwerte der zur Verfügung stehenden Werkstoffe übersteigen. Eine Möglichkeit zur Reduktion von Fliehkraftspannungen im Laufrad ist die Integration von Hohlraumstrukturen im Laufradkörper.
Im Zuge des Projekts soll eine konkrete Leichtbau-Laufradtopologie entwickelt werden. Des Weiteren sollen im Nachgang Designrichtlinien zur Generierung geometrisch ähnlicher Verdichterräder formuliert werden.
Methode
Am IKDG werden die auf das Laufrad während des Betriebs wirkenden Belastungen per FEM-Simulation berechnet. Anschließend werden Hohlraumstrukturen inklusive geeigneter Stützstrukturen in den Laufradkörper eingebracht und in einem mehrstufigen Iterationsprozess optimiert. Als Basis dient dabei ein aerodynamisch bereits für Wasserstoff optimiertes Radialverdichter-Laufrad, welches von MAN Energy Solutions entwickelt wurde.
Im Anschluss an die numerische Entwicklung soll das Laufrad mit Hilfe von additiven Fertigungsverfahren hergestellt und im Schleuderbunker auf seine Festigkeit überprüft werden. Die dadurch gewonnen Erkenntnisse sollen zur Weiterentwicklung des Designs in einem zweiten und finalen Iterationsschritt verwendet werden.
Förderung
Die Erprobung der finalen Iterationsstufe ist für Herbst 2022 geplant.
Das Projekt wird finanziell mit Mitteln des BMWi, sowie der MAN Energy Solutions unterstützt.
Den Obmann des zugehörigen projektbegleitenden Ausschusses stellt die MAN Energy Solutions.