Motordynamik durch Abgasturboaufladung

Die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau der Technischen Universität Hamburg-Harburg beschäftigt sich im Rahmen eines Forschungsvorhabens mit der ganzheitlichen Simulation von Schiffsmanövern. Während die Hydrodynamik durch unterschiedliche Rechenmethoden des Instituts für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit bereits treffend abgebildet wird, ist die Modellgüte im Bereich des Antriebsstranges noch ausbaufähig. Bei der weiteren Entwicklung liegt der Fokus insbesondere auf dem dynamischen Verhalten der Maschinenanlage, welches zum Beispiel in der Manöverfahrt maßgeblich durch das Verhalten des Abgasturboladers geprägt wird. Hierbei ist es besonders wichtig, dass unter Angabe weniger Parameter, welche im Rahmen einer Vorauslegung zur Verfügung stehen, qualitativ gute Ergebnisse in kurzer Zeit erzielt werden können. Mit dieser Zielsetzung wurde bereits eine thermodynamische Modellvorstellung für die Berechnung von einer Radialturbine mit leitschaufellosem Spiralgehäuse umgesetzt, so dass ein zeitdiskretes Berechnungsprogramm zur Verfügung steht, welches einer Plausibilitätsprüfung unterzogen wurde. Der physikalische Modellansatz wird aktuell dahingehend weiterentwickelt, dass zukünftig auch der Verdichter abgebildet werden kann.
Das übergeordnete Ziel ist es, auf Basis der Turboladergeometrie sowie der thermischen Randbedingungen zukünftig alle relevanten Turboladerkenngrößen berechnen zu können und somit eine Vorhersage der Maschinendynamik zu ermöglichen.

Entwicklung alternativer Antriebskonzepte für Schiffe

Die Konzentration auf das Erreichen einer Nenngeschwindigkeit führt bei der Auslegung von Antriebsanlagen auf Schiffen zu einer Überdimensionierung der Maschinenanlage. Gerade vor dem Hintergrund realer Fahrprofile hat dieses etablierte Auslegungskonzept eine Steigerung der der Erst- und Betriebskosten der Schiffe zur Folge. Mit dem Ziel, das Gesamtsystem „Schiff“ effizienter zu machen, entwickelt die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau Antriebskonzepte, die basierend auf den realen Fahrprofilen von Schiffen die Potenziale der Antriebsanlage optimal ausnutzen und es somit ermöglichen, das Maß der Überdimensionierung zu reduzieren. Ein Ansatz zur Effizienzsteigerung, der hierbei verfolgt wird, besteht in der Erweiterung des Motorkennfeldes im Teillastbereich. Zu diesem Zwecke werden Beispielrechnungen durchgeführt, die unter anderem von einer Modifikation der Turboladerregelung ausgehen. Darüber hinaus werden Antriebskonzepte entwickelt, die das Ziel verfolgen, elektrischer Maschinen (PTIs/PTOs) umfassender in die Antriebsanlage zu integrieren und somit die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern.

Propellerbetrieb mit mittelschnell laufenden Viertakt-Zweistoffmotoren im Gasbetrieb

Im Rahmen des an der Technischen Universität Hamburg-Harburg durch Eigenmittel der FVV finanzierten Umbauprojektes „Propellerbetrieb mit Viertakt-Zweistoffmotoren“ wurde die Ertüchtigung eines mittelschnell laufenden Einzylinder-Großdieselmotorprüfstandes für den Dual-Fuel-Betrieb vorgenommen. Bei der Ertüchtigung wurde Wert darauf gelegt, weitestgehend die aktuell gültigen Vorschriften für Schiffsanwendungen umzusetzen, um im Rahmen der anschließend durchzuführenden wissenschaftlichen Arbeiten repräsentative und vergleichbare Ergebnisse generieren zu können, die von der Branche akzeptiert werden.
Das Umbauvorhaben beinhaltete die Durchführung einer Machbarkeitsstudie, die Entwicklung und Umsetzung eines Sicherheitskonzeptes, die Konzeption und Ausführung der motor-seitigen Hardwareanpassungen sowie die Konzeption, Beschaffung und Montage einer auf-wendigen Flüssigerdgasversorgungsanlage nach Marinestandard.
Durch die Ertüchtigung dieser an einer öffentlichen Forschungsstelle einzigartigen Anlage wurde die Technische Universität Hamburg-Harburg in die Lage versetzt, anspruchsvolle Forschungsvorhaben im Bereich der Dual-Fuel-Technologie zu bearbeiten. Anders als bei Motorversuchsanlagen, die das Erdgas aus der Stadtgasleitung beziehen, können an der Technischen Universität mit Hilfe des neuen Flüssiggassystems alle Aspekte, vom Brennverfahren bis hin zum Gesamtanlagenverhalten, untersucht werden.
Die wissenschaftliche Arbeit mit der Anlage wurde im September 2017 im Rahmen des Folgevorhabens „Propellerbetrieb mit Viertakt-Zweistoffmotoren II“ aufgenommen.

Modellierung von Abgasturboladern zur Berechnung des dynamischen Verhaltens von Schiffsmotoren

Dissertation Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell für die stationäre und dynamische Simulation von Abgasturboladern für Großmotoren entwickelt. Hierbei wird ein physikalischer Ansatz auf Basis der Stromfadentheorie verfolgt und durch die Entwicklung und Implementierung verschiedener Verlustmodelle erweitert. Durch das Modell kann das Betriebsverhalten von Radialverdichtern und Radial- sowie Axialturbinen prognostiziert werden.
Weiterhin kann das entwickelte Modell dazu genutzt werden, Verdichter- und Turbinenkennfelder auf Basis einfacher Geometrieparameter zu erzeugen. Hierbei werden die Pump- und die Stopfgrenze in guter Näherung rechnerisch ermittelt.
Im Rahmen einer ausführlichen Validierung wird die Qualität der Simulationsergebnisse dargestellt und diskutiert. Für die Validierung stehen sowohl die benötigten Geometrieparameter als auch die Verdichter- und Turbinenkennfelder für insgesamt drei verschiedene Abgasturbolader von zwei unterschiedlichen Herstellern zur Verfügung. Weiterhin konnten die Qualität und Quantität der Berechnung des dynamischen Verhaltens aufgezeigt werden. Hierzu wird auf gemessene bzw. mit Hilfe eines kalibrierten Modells erzeugte Datensätze von zwei unterschiedlichen Turboladerherstellern zurückgegriffen.
Mit Hilfe des Simulationsmodells können in kurzer Zeit Verdichter- und Turbinenkennfelder mit einer für die Vorauslegung ausreichenden Genauigkeit abgebildet werden. Die Abweichungen von den zur Validierung herangezogenen Vergleichswerten liegt in weiten Teilen im einstelligen Prozentbereich. Hierbei treten die größten Unsicherheiten bei der exakten Bestimmung der Pumpgrenze auf.
Die Validierung des Simulationsmodells für die dynamische Simulation zeigt, dass das Modell geeignet ist, um die Maschinendynamik im Rahmen einer Gesamtsystemsimulation abzubilden. Die größten Abweichungen zu den Validierungsdaten betragen selten mehr als 10 %. Diese treten insbesondere bei der Berechnung der Drehzahl und des Verdichtermassenstroms im Schwachlastbereich auf.
Für die Weiterentwicklung des Modells wird empfohlen, den Ansatz zur Erfassung der Pumpgrenze weiterzuentwickeln, um die Genauigkeit der Berechnungen weiter zu erhöhen. Weiterhin wäre es wünschenswert, die aerodynamische Verblockung durch die Strömung und die Mischungsverluste betriebspunktabhängig zu erfassen. Hierzu müsste ein Zwei-Zonen-Modell auf Basis der Grenzschichttheorie erstellt werden, welches die Strömung innerhalb des Laufrades in eine Haupt- und eine Nebenströmung unterteilt und die Teilströmungen nach Verlassen des Laufrades wieder vereinigt.
Thilo Panten, M.Sc.: Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur; Schriftenreihe Schiffbau der Technischen Universität Hamburg, 2019; ISBN: 978-3-89220-715-3
www.tuhh.de/vss

Propellerbetrieb mit Viertakt-Zweistoffmotoren

Abschlussbericht Mittelschnelllaufende Dual-Fuel-Großmotoren unterliegen insbesondere im Gasbetrieb engen Betriebsgrenzen, welche die Gesamteffizienz eines Schiffsantriebes mit Verstellpropeller stark reduzieren. Im Rahmen dieses Umbauvorhabens wird ein an der TUHH vorhandener Einzylindermotor für den Zweistoffbetrieb (Diesel- und Erdgasbetrieb) ertüchtigt, um im Rahmen des Anschlussforschungsvorhabens eine Erweiterung des Betriebsbereiches solcher Motoren zu erreichen.
Prof. Dr.-Ing. Friedrich Wirz und Thilo Panten, M.Sc. in: Frühjahrstagung 2018, Motoren; FVV Tagungsband; Ausgabe R582-2018
www.fvv-net.de

Berechnungsmethode von Strömungsgittern für die dynamische Echtzeitsimulation von Abgasturboladern

Artikel Bei der Auslegung und Regelung moderner, komplexer Aufladesysteme, die mittlerweile auch bei Schiffsmotoren üblich sind, muss das Anlagenverhalten simuliert werden können. Dabei gilt es, einen Kompromiss zwischen Genauigkeit der Ergebnisse und Geschwindigkeit der Berechnung zu finden. In diesem Artikel wird ein Modellierungsansatz vorgestellt, mit dem einstufige Turbinen aus einfachen Geometriedaten abgebildet und berechnet werden können. Dieses bildet die Basis für die Weiterentwicklung von Verdichtermodellen und deren Integration in Simulationsmodellen für Großmotoren und die zugehörigen Aufladesysteme.
Prof. Dr.-Ing. Friedrich Wirz und Thilo Panten, M.Sc. in: Schiff&Hafen; Ausgabe 03/2017
www.schiffundhafen.de

Dual-Fuel-Engine Matching to Heavy Propeller Curve

Vortrag Thilo Panten, M.Sc.: 17th DNV GL Workshop; 01/2016