Untersuchung des Konzepts einer flexiblen Labyrinthdichtung für den Einsatz als Deckbanddichtung unter den Aspekten Leckage und Anstreiftoleranz

Durch die bevorzugte Einspeisung von elektrischer Energie, die aus regenerativen Quellen gewonnen wird, ergeben sich neue Herausforderungen in Bezug auf Stabilität und Regelung der Stromnetze. Um die Netzstabilität gewährleisten zu können, müssen herkömmliche Kraftwerke in die Lage versetzt werden, ihre Leistungsabgabe schnell und effizient zu regeln. Höhere Zyklenzahlen bei An- und Abfahrvorgängen sowie dynamischere Lastgradienten sind die Folge und müssen bei der Auslegung von Dampf- oder Gasturbinen berücksichtigt werden. Vor diesem Hintergrund kommt den Dichtungen zwischen Gehäuse und rotierenden Teilen eine besondere Bedeutung zu, da an diesen Bauteilen die Relativverschiebungen zwischen Rotor und Stator toleriert werden müssen. In den letzten Jahren haben daher flexible Dichtungen mit einer möglichst hohen Toleranz gegen radiale und axiale Versätze ein gesteigertes Interesse erfahren. In Kap. 2 wurden bestehende Lösungen und Lösungsansätze für diese Aufgabenstellung vorgestellt. Allen gemein ist eine gesteigerte radiale Flexibilität, die eine verbesserte Toleranz gegenüber Relativverschiebungen zwischen Rotor und Stator mit sich bringt. Die spezifischen Vor- und Nachteile für den Einsatz als Deckbanddichtung wurden für die bekanntesten Vertreter dieser flexiblen Dichtungen, wie Bürsten-, Finger- und Lamellendichtungen diskutiert. Dabei haben sich vor allem die Herstellungskosten, Einflüsse auf die Rotordynamik sowie fehlende Erfahrungen im Langzeiteinsatz als größte Nachteile herausgestellt. Zudem sehen sich speziell Dampfturbinenhersteller in einem durchaus konservativen Markt, der auf Grund der langen Revisionsintervalle und extrem hoher Ausfallkosten, Innovationen nur langsam annimmt. Als Alternative zu den genannten Konzepten wird in Kap. 3 die Idee einer flexiblen Labyrinthdichtung, bestehend aus gekrümmten und segmentierten Dichtstreifen (kurz GSD), erläutert. Sie soll die Vorteile einer Labyrinthdichtung, wie Kosteneffizienz, Robustheit und einfacher Aufbau mit den Vorteilen einer flexiblen Dichtung vereinen. So soll die erhöhte radiale Flexibilität eine Reduktion des Dichtspalts ermöglichen, ohne dabei einen vorzeitigen Ausfall durch verschlissene Dichtspitzen zu riskieren. Der kleinere Dichtspalt würde die Leckage im Vergleich zu Labyrinthdichtungen deutlich reduzieren. Ein weiterer Vorteil dieses Konzepts liegt in der adaptiven Anpassung der Spaltweite in Abhängigkeit des Druckgradienten. Gerade in den Phasen des An- und Abfahrens einer Dampfturbine, in denen große Relativbewegungen zwischen Stator und Rotor auftreten, bringt eine vergrößerte Spaltweite Vorteile. Das Konzept ist drehrichtungsunabhängig applizierbar und verspricht auf Grund seines einfachen Aufbaus aus kleinen Metallblechen eine Kostenersparnis gegenüber Finger- und Bürstendichtungen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Beurteilung des Konzepts einer Labyrinthdichtung mit flexiblen Dichtelementen anhand experimenteller und numerischer Untersuchungen, mit Hinblick auf die mögliche Leckagereduktion und den zu erwartenden Verschleiß durchzuführen. Für den experimentellen Teil wurden zunächst zwei Prototypen einer Dichtung mit gekrümmten segmentierten Dichtstreifen entwickelt (vgl. Kap. 5.1). Mit diesen Prototypen wurden an einem neu errichteten Prüfstand (Kap. 5.2) experimentelle Daten zur Leckage und zum Verschleißverhalten bei Anstreifvorgängen generiert. Um eine Einordnung dieser Ergebnisse zu ermöglichen, wurde als Referenzfall eine bewährte Labyrinthdichtungskonfiguration gewählt. Um detailliertere Erkenntnisse zum Verschleiß und den Optimierungsmöglichkeiten einer GSD zu erhalten, ergänzten numerische Verfahren die experimentellen Untersuchungen. Hierfür musste zuerst eine Simulationsmethodik entwickelt werden (vgl. Kap. 6), mit der sich die Leckage einer GSD mit der einer herkömmlichen Labyrinthdichtung vergleichen lies. Dabei wurde neben der Leckage auch der Verschleiß berücksichtigt. Die Modellierung des Verschleißes und die Simulation der Anstreifvorgänge stellten dabei eine besonderer Herausforderung dar. In der Literatur fand sich bisher kein Ansatz der die Leckage von Dichtungen sowohl im Nominalzustand als auch im verschlissen Zustand berücksichtigte. Die bei der Verschleißsimulation eingesetzten Modelle wurden anhand experimenteller Daten kalibriert. Hierfür wurden Anstreifversuche an einfachen Verschleißproben durchgeführt und Koeffizienten für den Materialabtrag sowie die Reibung und die Wärmeübergänge abgeleitet. Nach der Validierung dieser Vorgehensweise in Kap. 6.2.2 wurden die Modelle eingesetzt, um in Kap. 7 optimierte Varianten einer GSD unter verschiedenen Einsatzbedingungen numerisch zu untersuchen. Verschleiß an Dichtungen führt in der Regel zu einer Vergrößerung des Dichtspalts. Hierbei spielen zwei Effekte eine entscheidende Rolle. Zum einen wird Material an der Dichtspitze abrasiv abgetragen. Zum andern wird durch die Reibung die Dichtspitze so stark erhitzt, dass die Belastungen die Fließgrenze des Materials übersteigen und eine plastische Verformung der Dichtspitzen bewirken. Mit den experimentellen Verschleißversuchen konnte gezeigt werden, dass ein Zusammenhang zwischen Steifigkeit und Umformgrad besteht. Während an den starren Dichtstreifen in Kap. 5.3.1 deutliche Geometrieänderungen in Form von aufgepilzten Spitzen beobachtet wurden, fanden im Fall der flexiblen Dichtstreifen auf Grund der niedrigen Kontaktspannungen und Temperaturen keine Umformung statt. Der Verschleiß wurde hier ausschließlich durch einen Materialabtrag hervorgerufen. Die Verformung der starren Dichtspitze bringt, neben dem vergrößerten Dichtspalt, einen weiteren Nachteil mit sich. Denn durch die Abrundung wird die Einschnürung der Strömung unterhalb der Dichtspitze verringert und bedingt einen zusätzlichen Verlust an Dichtwirkung. Im Fall der flexiblen Dichtstreifen wirkte sich der Materialabtrag weniger negativ aus, da hier die ursprüngliche Spitzenform weitestgehend erhalten blieb und lediglich eine Verkürzung auftrat (vgl. Kap. 5.3.2). Insgesamt fiel der Verschleiß an den GSD deutlich niedriger aus als an den starren Dichtstreifen. Daraus folgte eine nahezu unveränderte Leckage mit flexiblen Dichtungen beim Vergleich von vor und nach den Anstreifversuchen. Die experimentellen Ergebnisse bestätigten somit die erhöhte Verschleißtoleranz einer flexiblen Labyrinthdichtung. Wird der nominale Dichtspalt verringert, steigt damit die Wahrscheinlichkeit einer Kollision des Rotors mit den Dichtstreifen. Im Falle von starren Dichtstreifen wird das Dichtspiel in der Regel so ausgelegt, dass es zu keinem Zeitpunkt zu einem Kontakt kommt. Dadurch ergeben sich relativ hohe Leckagen, die mit einem verkleinerten Dichtspiel verringert werden könnten. Zwar unterliegen auch flexible Dichtstreifen bei einem Kontakt mit dem Rotor einem gewissen Verschleiß, allerdings wurde in Kap. 7.2 gezeigt, dass der Zuwachs an Verschleiß mit jedem erneuten Kontakt abnimmt. Das Dichtspiel nähert sich über die Laufzeit asymptotisch, je nach Lastkollektiv, einem Grenzwert. Selbst bei ungünstigen Verhältnissen kann das Dichtspiel nur bis maximal auf den Betrag ansteigen, der auch bei starren Konfigurationen auftreten würde. Bis dieser Zustand erreicht werden der Dichtspalt und damit die Leckage verringert. Die Erwartungen an die gekrümmten, segmentierten und damit flexiblen Labyrinthdichtungen konnten durch die Untersuchungen bestätigt werden. Eine Steigerung der Effizienz durch die Reduktion der Leckageverluste sowie eine gesteigerte Toleranz gegenüber Relativverschiebungen konnten experimentell und numerisch nachgewiesen werden. Selbst unter ungünstigen Bedingungen, in denen ein lang andauernder Kontakt oder häufige Kontakte auftreten, blieb ein reduzierter Dichtspalt erhalten. Durch eine optimierte Dichtspitzengeometrie mit verbreiterter Spitze, wie sie in Kap. 7 vorgestellt wurde, konnte die Leckage auch im nominellen Zustand deutlich gesenkt und über mehrere Anstreifkontakte gehalten werden

Baustoffe und Betonbau : Lehren, Forschen, Prüfen, Anwenden - Festschrift zum 60. Geburtstag von Prof. Dr.-Ing. Harald S. Müller

Die vorliegende Festschrift "Baustoffe und Betonbau - Lehren, Forschen, Prüfen, Anwenden" ist Herrn Prof. Dr.-Ing. Harald S. Müller zum 60. Geburtstag gewidmet. Sie würdigt die Tätigkeit von Herrn Prof. Müller als Hochschullehrer und Forscher, seinen unermüdlichen Einsatz für die Materialprüfung und Normung von Baustoffen sowie sein umfangreiches und langjähriges Engagement in vielen für die Betonbauweise relevanten Gremien und Vereinigungen

Systematic characterization of degraded anion exchange membranes retrieved from vanadium redox flow battery field tests

Commercially available anion exchange membranes were retrieved from VRFB field tests and their degradation due to the various operation conditions is analyzed by in-situ and ex-situ measurements. Ion exchange capacity, permeability and swelling power are used as direct criteria for irreversible changes. Small-angle X-ray scattering (SAXS) and Differential scanning calorimetry (DSC) analyses are used as fingerprint methods and provide information about the morphology and change of the structural properties. A decrease in crystallinity can be detected due to membrane degradation, and, in addition, an indication of reduced polymer chain length is found. While the proton diffusion either increase or decline significantly, the ion exchange capacity and swelling power both are reduced. The observed extent of changes was in good agreement with in-situ measurements in a test cell, where the coulombic and voltage efficiencies are reduced compared to a pristine reference material due to the degradation process

Kadi4Mat : A Research Data Infrastructure for Materials Science

The concepts and current developments of a research data infrastructure for materials science are presented, extending and combining the features of an electronic lab notebook and a repository. The objective of this infrastructure is to incorporate the possibility of structured data storage and data exchange with documented and reproducible data analysis and visualization, which finally leads to the publication of the data. This way, researchers can be supported throughout the entire research process. The software is being developed as a web-based and desktop-based system, offering both a graphical user interface and a programmatic interface. The focus of the development is on the integration of technologies and systems based on both established as well as new concepts. Due to the heterogeneous nature of materials science data, the current features are kept mostly generic, and the structuring of the data is largely left to the users. As a result, an extension of the research data infrastructure to other disciplines is possible in the future. The source code of the project is publicly available under a permissive Apache 2.0 license