Anwendung der Infinite-Tube-Technique zur instationären Druckmessung in der Radialturbine eines Abgasturboladers

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Qualifikation instationärer Druckmesstechnik für den Einsatz unter den extremen Bedingungen in einer Radialturbine mit variabler Turbinengeometrie (VTG) eines Abgasturboladers. Hierfür wurden Sonden nach dem Prinzip der Infinite- Tube-Messtechnik ausgelegt, kalibriert und erfolgreich appliziert. Die Kalibrierung erfolgte jeweils im Stoßrohr und am Turbolader im kalten Betriebszustand. Während im Stoßrohr nur akustische Signale vorliegen, setzt sich im Turbolader das Signal aus hydrodynamischen und akustischen Anteilen zusammen. Es zeigte sich, dass die ITTMesstechnik reibungsbedingte, hydrodynamische Fluktuationen vollständig dämpft und akustische Effekte von diesen isoliert. Der Einsatz beider Kalibriermethoden ermöglichte es unter Ausnutzung dieser besonderen Eigenschaft der ITT-Sonde im ersten Schritt ein sog. „Indirektes Verfahren“ zu entwickeln. Dadurch gelang es erstmalig, allein aus den Signalen von zwei gegenüber bisher hierfür drei erforderlichen Sensoren (bekannt als 3-Mikrophon- Methode) den akustischen und den hydrodynamischen Signalanteil zu separieren. Im Hinblick auf den Einsatz der Messtechnik im heißen Betriebszustand und vor dem Hintergrund, dass die im kalten Betriebszustand des Turboladers ermittelte Charakteristik nur auf einen eingegrenzten Frequenzbereich und damit einen Teil des Kennfeldes beschränkt ist, wurde des Weiteren das „Direkte Verfahren“ entwickelt. Durch Einführung der Reibungskraft und Verknüpfung der experimentell ermittelten Charakteristika mit dem Geschwindigkeitsdreieck konnte durch diese Arbeit erstmals eine formelmäßige Beschreibung in Form einer Exponentialfunktion geliefert werden, die eine Extrapolation des Verhaltens in Abhängigkeit der Frequenz und somit die Beschreibung des gesamten Kennfeldbereichs ermöglicht. Anschließend wurde die Messtechnik erfolgreich am Turboladerprüfstand unter heißen Versuchsbedingungen eingesetzt und mittels des im Stoßrohr ermittelten Übertragungsverhaltens ausgewertet. Die Versuche umfassten stationäre Betriebspunkte sowie transiente Betriebszustände, welche zum einen bei geöffneter VTG durch Drosselung, zum anderen durch die Drehzahlvariation über die VTG-Verstellung eingestellt wurden. In den gemessenen Spektren konnten zwei subsynchrone Effekte – eine schwingungsinduzierte Rotorinstabilität infolge Gleitlageranisotropie und eine infolge strömungsinduzierter Turbulenz stromab des Turbinenlaufrades aufgezeigt werden. Zusätzlich zu diesen Effekten konnte die Unwucht erfasst werden, welche sich wie eine Schwingung gegenüber der Sonde verhält. Erzwungene Schaufelschwingungen, angeregt durch die Nachlaufdellen der VTG und der potentialtheoretischen Wechselwirkung, die sich in der Kalibrierung bereits andeuteten, konnten in den Heiß-Messungen tendenziell bestätigt werden. Die endgültige Bestätigung können jedoch nur Messungen bringen, die parallel zu Schaufelschwingungsmessungen mit konventionellen Verfahren wie z. B. der BSSM (berührungslose Schaufelschwingungsmessung) erfolgen.