Die Masterarbeit beschreibt die Auslegung eines gasgelagerten Kolbens für eine neuartige Mehrzylinder-Freikolben-Stirling-Kältemaschine vom Alpha-Typ. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gaslagern erfolgt die Druckversorgung dabei intern durch den Kompressionsdruck des Kolbens. Die daraus resultierende periodische Änderung der Druckverhältnisse macht einen anderen Berechnungsansatz als bei bisher beschriebenen Gaslagern erforderlich. Daher wurde ein Modell mit der Software Simulink erstellt, das auf Grundlage der Kolbenbewegung kontinuierlich die Druckverhältnisse und die daraus resultierenden Masseströme berechnet.
Mithilfe der Simulationsergebnisse konnte die Tragkraft und die statische Steifigkeit des Gaslagers in Abhängigkeit der Exzentrizität des Kolbens und des Phasenwinkels der Kolbenbewegung ermittelt werden. Durch eine Parameterstudie mit dem Simulink Modell wurden einfache Auslegungsgleichungen hergeleitet, die zur überschlägigen Dimensionierung von Gaslagern für Stirling-Maschinen dienen können. Auch wenn die Auslegung der Gaslagerung für eine Stirling-Maschine vom Alpha-Typ erfolgte, dürften die Ergebnisse mit relativ geringem Aufwand auf andere Typen übertragbar sein. Kenntnisse über die Funktionsweise und den allgemeinen Aufbau von Stirling-Maschinen werden in der Arbeit vorausgesetzt.
Inhaltsverzeichnis
- Kurzfassung
- Abstract
- Inhaltsverzeichnis
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Abkürzungsverzeichnis
- 1 Einführung zu Gaslagern
- 1.1 Funktionsweise aerostatischer Radiallager
- 1.2 Notwendigkeit von Gaslagern bei Stirling-Maschinen
- 2 Ziel der Arbeit
- 3 Stand der Technik
- 3.1 Arbeiten zu gasgelagerten Kolben für adiabate Dieselmotoren in den USA
- 3.2 Arbeiten zu gasgelagerten Hubkolbenriebwerken an der RWTH Aachen
- 3.3 Gaslagerung der Firma Aerolas
- 3.4 Gaslagerung der Firma Sunpower
- 3.5 Gaslagerung der Firma Superconductor Technologies
- 3.6 Gaslagerung der Firma Global Cooling
- 4 Geplanter Aufbau des gasgelagerten Kolbens
- 4.1 Konstruktive Gestaltung
- 4.2 Anforderungen an die Fertigungstoleranzen
- 5 Rechnerischer Nachweis der Funktionsfähigkeit
- 5.1 Modell der Gaslagerung
- 5.2 Vereinfachende Annahmen und Simulationsparameter
- 5.3 Bestimmung der Kolbenbewegung
- 5.4 Bestimmung der Volumina
- 5.5 Bestimmung der Masseströme
- 5.5.1 Massestrom zwischen Arbeitsraum und Gasreservoir
- 5.5.2 Massestrom zwischen Zwischenraum und Arbeitsraum
- 5.5.3 Massestrom zwischen Gasreservoir und Lagerspalt
- 5.5.4 Massestrom zwischen Lagerspalt und Arbeitsraum
- 5.5.5 Massestrom zwischen Lagerspalt und Zwischenraum
- 5.6 Bestimmung der Drücke
- 5.6.1 Druck im Arbeitsraum
- 5.6.2 Druck im Zwischenraum
- 5.6.3 Druck im Gasreservoir
- 5.6.4 Druck im Lagerspalt
- 5.7 Bestimmung der Gasmasse als Kontrollkriterium
- 5.8 Bestimmung der Tragkraft
- 5.9 Bestimmung der statischen Steifigkeit
- 5.10 Bestimmung der dynamischen Steifigkeit
- 6 Einfluss ausgewählter Parameter auf die Tragkraft
- 6.1 Anzahl und Art der Rückschlagventile
- 6.2 Volumen des Gasreservoirs
- 6.3 Breite der Drosseln
- 6.4 Verhältnis von Kolbenlänge zu Kolbendurchmesser
- 7 Zusammenfassung und Ausblick
- Literaturverzeichnis
- Anhang A: Technische Zeichnung Antriebskonzept V05
- Anhang B: Matlab Code zur Definition der Konstanten
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Auslegung eines gasgelagerten Kolbens für eine innovative Mehrzylinder-Freikolben-Stirling-Kältemaschine vom Alpha-Typ. Das Hauptziel ist die Entwicklung eines neuen Berechnungsansatzes für Gaslager, deren Druckversorgung intern durch den Kompressionsdruck des Kolbens erfolgt, was zu periodisch wechselnden Druckverhältnissen führt.
- Entwicklung eines Modells zur Simulation von Gaslagern unter dynamischen Druckverhältnissen.
- Berechnung der Tragkraft und statischen Steifigkeit des Gaslagers in Abhängigkeit der Kolbenexzentrizität.
- Parameterstudie zur Herleitung einfacher Ausgleichsgleichungen für die Dimensionierung von Stirling-Gaslagern.
- Analyse und Übertragung der Ergebnisse auf verschiedene Stirling-Maschinentypen.
- Betrachtung bestehender Technologien und Herausforderungen bei Stirling-Maschinen.
Auszug aus dem Buch
1.2 Notwendigkeit von Gaslagern bei Stirling-Maschinen
Diese Probleme konnten mit der Einführung von Freikolben-Stirling-Maschinen weitestgehend gelöst werden, indem die oszillierende Kolbenbewegung nicht mehr durch einen Kurbeltrieb realisiert wird, sondern durch ein in Resonanzfrequenz schwingendes Feder-Masse-System. Die Federn werden oft als Flexure Bearings ausgeführt (siehe Abbildung 6), die eine Kombination aus Federung und Führung darstellen und im Gegensatz zu Schraubendruckfedern keine radiale Kraftkomponente erzeugen¹⁹. Ein weiterer Vorteil dieser Bauart besteht in seiner Einfachheit, da der Kolben das einzige bewegte Teil darstellt. Außerdem kann die trocken laufende Kolbendichtung durch das Fehlen von radialen Kräften und die exakte Führung der Flexure Bearings durch eine berührungsfreie Spaltdichtung ersetzt werden. Bei dieser Dichtungsart ist ein gewisses Leck zwar unvermeidlich, aber dafür wird ein wartungsfreier Betrieb der Stirling-Maschine ermöglicht. Die Lebensdauer von Stirling-Kryokühlern konnte durch die Einführung von Flexure Bearings in Kombination mit einer berührungsfreien Spaltdichtung von ca. einem halben Jahr auf über fünf Jahre erhöht werden, was einen großen Technologiesprung darstellt¹⁹.
Eine verbleibende Schwierigkeit bei der berührungsfreien Spaltdichtung besteht allerdings in der exakten Ausrichtung des Kolbens im Zylinder. Dabei muss trotz des sehr geringen Lagerspalts ein Kontakt zwischen beiden Bauteilen vermieden werden. Dieser Arbeitsschritt erfordert hochpräzise, teure Werkzeuge und großen Arbeitsaufwand, was unvereinbar mit einer kostengünstigen Fertigung ist²⁰. Daher sind viele Hersteller von Freikolben-Stirling-Maschinen dazu übergegangen, die berührungsfreie Spaltdichtung mit einer selbstzentrierenden Gaslagerung zu kombinieren. Um den Kolben die Selbstzentrierung zu ermöglichen, muss er aber von der exakten Führung der Flexure Bearings entkoppelt werden (beispielsweise durch ein elastisches Element). Für die genaue Ausführung der Gaslagerung sind schließlich viele technische Lösungen entstanden, die in Kapitel 3 näher beschrieben werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung zu Gaslagern: Dieses Kapitel stellt die Grundlagen von Gaslagern vor und erläutert die Notwendigkeit ihrer Anwendung speziell bei Stirling-Maschinen.
2 Ziel der Arbeit: Hier werden die primäre Forschungsfrage und die angestrebte Methodik der Masterarbeit klar definiert.
3 Stand der Technik: Das Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über bestehende Arbeiten und verfügbare Technologien im Bereich gasgelagerter Kolben und deren Anwendung in verschiedenen industriellen Kontexten.
4 Geplanter Aufbau des gasgelagerten Kolbens: Dieses Kapitel detailliert die konstruktive Gestaltung des Kolbens sowie die für die Funktionalität erforderlichen Fertigungstoleranzen.
5 Rechnerischer Nachweis der Funktionsfähigkeit: Hier werden die Modellierung, Simulation und detaillierte Berechnungen der Kolbenbewegung, Masseströme, Drücke, Tragkraft und Steifigkeit des Gaslagers umfassend dargestellt.
6 Einfluss ausgewählter Parameter auf die Tragkraft: Dieses Kapitel analysiert systematisch, wie verschiedene Parameter wie die Anzahl und Art der Rückschlagventile, das Volumen des Gasreservoirs, die Breite der Drosseln und das Kolbenlängen-Durchmesser-Verhältnis die Tragkraft beeinflussen.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Das Schlusskapitel fasst die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf potenzielle zukünftige Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Gaslagerung, Freikolben-Stirling-Kältemaschine, Kolben, Aerostatisches Radiallager, Simulink, Druckverhältnisse, Masseströme, Tragkraft, Steifigkeit, Parameterstudie, Flexure Bearings, Spaltdichtung, Drossel, Simulation, Konstruktion
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Diese Masterarbeit befasst sich grundsätzlich mit der Auslegung und Funktionsweise eines gasgelagerten Kolbens für eine neuartige Mehrzylinder-Freikolben-Stirling-Kältemaschine, wobei insbesondere die interne Druckversorgung des Lagers berücksichtigt wird.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themenfelder umfassen die Auslegung von Gaslagern, die Modellierung und Simulation dynamischer Druckverhältnisse und Masseströme, sowie die Berechnung von Tragkraft und Steifigkeit dieser Lager.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung eines Berechnungsansatzes für Gaslager, die intern durch den Kompressionsdruck des Kolbens versorgt werden und somit periodische Druckänderungen erfahren, sowie die Bereitstellung einfacher Dimensionierungsgleichungen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit verwendet eine Modellierung und Simulation mittels der Software Simulink, um die kontinuierliche Berechnung von Druckverhältnissen und Masseströmen basierend auf der Kolbenbewegung durchzuführen und eine Parameterstudie zu ermöglichen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die Einführung in Gaslager, den Stand der Technik, den geplanten Aufbau des gasgelagerten Kolbens sowie den rechnerischen Nachweis der Funktionsfähigkeit durch detaillierte Analysen von Masseströmen, Drücken, Tragkraft und Steifigkeit.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Schlüsselwörter wie Gaslagerung, Freikolben-Stirling-Kältemaschine, Simulink, Tragkraft, Steifigkeit und Parameterstudie charakterisiert.
Welche Rolle spielen Flexure Bearings bei Freikolben-Stirling-Maschinen?
Flexure Bearings werden bei Freikolben-Stirling-Maschinen als Feder-Masse-Systeme eingesetzt, um die oszillierende Kolbenbewegung ohne Kurbeltrieb zu realisieren und bieten eine Kombination aus Federung und Führung ohne radiale Kraftkomponenten.
Warum ist eine interne Druckversorgung bei Gaslagern von Stirling-Maschinen eine Herausforderung?
Die interne Druckversorgung führt zu periodischen Änderungen der Druckverhältnisse, was einen von herkömmlichen Gaslagern abweichenden Berechnungsansatz für die Auslegung erforderlich macht.
Welche Arten von Drosseln können in aerostatischen Radiallager eingesetzt werden?
In aerostatischen Radiallager können Drosseln in Form von Mikroblenden, Kapillaren oder porösem Material eingesetzt werden, um einen Druckabfall zu erzeugen und die Strömung auf den Lagerspalt zu begrenzen.
Wie wird die Funktionsfähigkeit des Gaslagers rechnerisch nachgewiesen?
Der rechnerische Nachweis der Funktionsfähigkeit erfolgt durch detaillierte Modellierung und Simulation im Hauptteil der Arbeit, einschließlich der Bestimmung von Kolbenbewegung, Masseströmen, Drücken, Tragkraft und Steifigkeit.
- Citar trabajo
- Bruce Fischer (Autor), 2021, Auslegung einer Gaslagerung für den Kolben einer Freikolben-Stirling-Kältemaschine, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1031056
