Auslegung einer Gaslagerung für den Kolben einer Freikolben-Stirling-Kältemaschine

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

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.