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

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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.