ZuMo Zuverlässiger Alpha-Stirlingmotor

ZuMo Zuverlässiger Alpha-Stirlingmotor
Projektbeschreibung und Arbeitsplan
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Projektbeschreibung, Projektziel
Projektziel ist der Einsatz eines Hochleistungsstirlingmotors in Mini-Blockheizkraftwerken, wofür eine
bislang unerreichte wartungsfreie Standzeit von mindestens 50.000 Stunden zu realisieren ist.
Um die Wärmeenergie eines beliebigen Brenners in Form einer Kraft-Wärmekopplung zuverlässig zu
verwerten, muss ein zuverlässiger Rohrbündelerhitzerkopf entwickelt werden, der im Gegensatz zum aktuell
verwendeten Model, auch die bei Störungen auftretenden Übertemperaturen übersteht.
Beim Stirlingmotor gehört die langlebige Auslegung sämtlicher tribologisch belasteter Komponenten zu den
wichtigsten Entwicklungsaufgaben. Der wirtschaftliche Betrieb der Anlage hängt maßgeblich von der
wartungsfreien Gebrauchsdauer ab, welche im Betrieb erzielt wird. Dies betrifft insbesondere die durch
Reibung und Verschleiß beanspruchten Komponenten des Stirlingmotors. Ein Stirlingmotor arbeitet mit
trocken laufenden Kolben. Die in trockener und inerter Atmosphäre bei hohen Temperaturen laufenden
Kolbenringe sind im ständigen Reibkontakt und müssen bei hohen Verdichtungen über große
Temperaturwechsel und lange Zeiträume zuverlässig arbeiten. Die im Trockenlauf erreichte Standzeit ist
bislang unbefriedigend und liegt teilweise unter der von Otto- und Dieselmotoren (< 2000h).
Unzureichende Standzeiten sind auch bei den minimal geschmierten gleit- und wälzgelagerten
Komponenten des Stirlingmotors anzutreffen. Hauptgründe hierfür sind die Degeneration von
Schmierstoffen und zu hoher Verschleiß der verwendeten Kunststoffkomponenten infolge temporärer
Mangelschmierzustände. Um die angestrebte Lebensdauer des Motors zu erreichen, müssen die
lebensdauerlimitierenden Komponenten des gesamten Antriebsstrangs Gleitlager, Wälzlager, Kolbenringe
und deren tragendes Maschinenelement (Kurbelwelle) optimiert und weiter entwickelt werden.
Vorrangig ist allerdings die Neukonstruktion der Kurbeltriebs, denn bei allen Einsätzen des in der
Sunmachine I genutzten Stirlingmotors und bei Prüfstandsläufen der Entwickler hat sich dieser als die
hauptsächliche Ursache der auftretenden Lagerschäden herausgestellt. Fazit: Es wurde nicht steif genug
konstruiert. Erste neue Ansätze zur Gestaltung der genannten Bauteile und Baugruppen, die zu einer
Verbesserung der Lebensdauer und des Wirkungsgrads führen, existieren.
Ohne geeignete Beschichtungen und angepasste Maschinenelemente ist dieses Ziel aber nicht zu erreichen.
So sollen erstmalig diamantähnliche Hochleistungsschichten auf konstruktionsbedingt schmierstofffreie und
dadurch tribologisch hochbelasteten Kunststoffkolbenringen abgeschieden werden. Für den Erhitzerkopf
werden dagegen hochtemperaturbeständige und gleichzeitig abrasiv beständige Schichten benötigt, die der
aschebelasteten Holzgasflamme direkt ausgesetzt werden können.
Bei der Verbrennung von Biomasse, so auch bei Holzpellets, entsteht in gewissem Umfang immer Asche.
Dies ist unvermeidbar. Durch die gezielte Herstellung von Pellets welche dem hier vorliegendem
Verbrennungskonzept angepasst werden, soll der Partikel- und Aschegehalt der Abgase massiv gesenkt
werden. Allein durch die Entwicklung spezieller Pellets die sich an den konstruktiven Bedingungen der
Sunmachine orientieren, sollen die Wartungsintervalle von ca. 500 h auf ca. 4000 h steigen. Die Herstellung
kundenspezifischer Pellets ist für die Pelletherstellung nichts ungewöhnliches, aber im Falle der Sunmachine
eine echte Herausforderung, da ein möglichst geringer Aschegehalt mit einem hohen
Ascheerweichungspunkt kombiniert werden muss.
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Projektstruktur
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Arbeitsplan
Der hier vorliegende Arbeitsplan orientiert sich an einem Maßnahmenpapier welches von den
Motorenentwicklern der ehemaligen Sunmachine GmbH erarbeitet wurde.
Abbildung 1:
Maßnahmenkatalog der Sunmachine GmbH zur Weiterentwicklung des letzten Serienmotors (Motor 3).
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Leider ist dieses selbstfinanzierte Eigenforschungsprojekt nicht in der Lage, alle vorgeschlagenen Punkte des
Maßnahmenpapiers nachträglich abzuarbeiten. Vielmehr soll versucht werden, unter Anwendung neuester
Technologien der Beschichtungstechnik und der Simulation, verschiedene Arbeitspunkte zu clustern oder
verschiedene der aufgeführten Maßnahmen ganz zu vermeiden.
AP1:
Systemanalyse, Konkretisierung der Anforderungsprofile (Alle)
Zu Beginn des Projekts erarbeiten alle Projektpartner das mit den zur Verfügung stehenden Recourcen
erreichbare Anforderungsprofil. Dies soll gemeinsam auf den Projekttreffen oder bei Bedarf auf bilateralen
Treffen erfolgen.
AP2:
Prüfstandsaufbau mit dem Ist-Zustand des Stirling-Motors (NAS,
SachsenStirling)
Wie bereits erläutert, ist ein wesentlicher Schwachpunkt der Sunmachine der unzuverlässig arbeitende
Stirlingmotor. Obwohl für 40.000 Betriebstunden konzipiert, konnten die wenigsten der in der Praxis
eingesetzten Motoren mehr als 4000 h wartungsfreien Betrieb aufweisen.
Die dafür verantwortlichen Ursachen sind bekannt, bzw. werden vermutet. Um endgültig Gewissheit zu
erlangen, soll ein Serienmotor aktueller Ausführung auf einem Prüfstand vermessen werden. Hierfür liefert
die Sachsen Stirling einen Motor mit elektrischem Erhitzerkopf und unterstützt die NAS beim Aufbau des
Prüfstands in Karlsruhe.
AP3:
Inbetriebnahme des elektrisch betriebenen Prüfstands (NAS, SachsenStirling)
Um den Prüfstand in Betrieb zu nehmen, werden Software und Hardware von NAS und Sachsen Stirling
gemeinsam ertüchtigt, die speziellen Anforderungen des Prüfstandbetriebs zu erfüllen. Spezielle
Anforderungen bestehen vor allem hinsichtlich der Datenerfassung und des Schwingungsverhaltens.
AP4:
Sichtung und Übergabe vorhandener Konstruktionsunterlagen (NAS,
SachsenStirling)
Um eine weitestgehende Konformität hinsichtlich der Konstruktionsunterlagen zu erhalten, übergibt die
SachsenStirling die vorhandenen Daten an die NAS. Anschließend werden Diese gemeinsam analysiert, um
die für die Weiterentwicklung am besten geeignete Datensätze zu identifizieren und aufzubereiten. Ein
wesentlicher Bestandteil besteht darin, vor allem die Unterlagen auszuwerten, welche die
Motorenentwicklung der insolventen Sunmachine GmbH zuletzt erstellt hatte, aber nie konstruktiv
umsetzen konnte.
AP5:
Prüfstandsläufe mit dem IST-Zustand des Stirlingmotors (NAS)
Mit einem Serienmotor werden die ersten Prüfstandsläufe durchgeführt. Das Schwingungs- und
Laufverhalten wird als Referenz für alle weiteren Tests aufgezeichnet und entsprechend ausgewertet.
Idealerweise werden die erhaltenen Daten mit den in der Praxis erreichten Laufzeiten (ca. 4000 h) korreliert.
AP6:
Modellierung und Neuauslegung des Kurbeltriebs und Lagerkonzepts (NAS,
Sachsen Stirling)
Nach Sichtung und Auswertung aller vorhandenen Konstruktionsunterlagen, überführt die NAS die Daten
in ein gängiges und bei der NAS nutzbares Format. Die Konstruktionsunterlagen werden neu erstellt und in
ein Modell überführt. Entsprechend der Daten die durch Modellierung und durch die Prüfstandsläufe mit
dem Ist-Zustand gewonnen wurden, wird der Kurbeltrieb und das Lagerkonzept des alpha-Stirlings neu
ausgelegt.
AP7:
Bau und Beschaffung von Bestandteilen des Stirling-Kurbeltriebs (IWM, NAS)
Im Rahmen dieses Arbeitspakets wird der neukonstruierte Kurbeltrieb (Kurbelwelle, Kurbelwellenzapfen,
Sitze für Haupt- und Pleuellager) gefertigt. Dies wird in den Werkstätten von NAS und IWM erfolgen. Die
nötigen Lager (Hauptlager, Kolbenbolzenlager, Pleuellager) werden entsprechend der Auslegung bei einem
Lagerhersteller beschafft, der traditionell in Entwicklungsprojekte des IWM eingebunden ist. Um ein
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bestmöglich geeignetes Schmierfett zu erhalten, wird das IWM Gespräche mit der Entwicklungsabteilung
eines namhaften Schmiermittelherstellers führen.
AP8:
Beschichtung von Bauteilen des Stirling-Motors (IWM)
Um die Funktionalität des überarbeiteten Stirlingmotors zu unterstützen, werden verschiedenen
Maschinenelemente mit Reib- und Verschleißmindernden DLC-Schichten versehen. Standard-DLC-Schichten
können den Kolben, Kolbenbolzen und Lagerungen zur Verfügung gestellt werden. Um den Trockenlauf
der PEEK-Kolbenringe hinsichtlich Reibwert und Standzeit zu verbessern, wird das IWM einen
Beschichtungsprozess evaluieren, um auch Diese mit DLC zu beschichten.
AP9:
Konzeptentwicklung für den Erhitzerkopf (IWM, Verein, Sachsen Stirling)
Eins der anfälligsten Bauteile des genutzten Stirlingmotors ist der Edelstahl-Rohrbündel-Erhitzerkopf. Im
Bereich der unnötig vielen Lötstellen kommt es immer wieder zu Undichtigkeiten und nachfolgend zum
Verlust des Arbeitsmediums Stickstoff. Es ist erklärtes Ziel den Erhitzerkopf so umzugestalten, dass weniger,
bestenfalls überhaupt keine Lötstellen mehr vorhanden sind. Im Rahmen dieses Arbeitspakets sollen
verschiedene Konzepte erstellt und auch gefertigt werden.
AP10:
Hochtemperatur- und abrasivbeständige Beschichtung für den Erhitzerkopf
(IWM)
Während des Betriebs aller verkauften und am Markt verfügbaren Sunmachine wurde giftiges
Kaliumchromat gefunden. Es ist bislang unklar, ob es sich um errosive Bestandteile des Erhitzerkopfs, oder
um natürlich vorkommendes Chrom aus dem Verbrennungsprozess handelt.
Wie auch immer, der Erhitzerkopf muss gegen die thermisch-abrasive Errosion der partikelbelasteten
(Asche) Holzgasflamme geschützt werden. Das IWM wird den Erhitzerkopf daher mit einer titanbasierten
Beschichtung schützen, welche einen maximalen Widerstand gegen abrasive und oxidative Einflüsse
aufweisen soll.
AP11:
Prüfstandsläufe mit dem überarbeiteten Stirlingmotor (NAS)
Mit dem am NAS verfügbaren elektrisch „befeuerten“ Prüfstand, werden Prüfstandsläufe durchgeführt, um
die Änderungen hinsichtlich des Schwingungs- und Laufverhalten des Motors zu erkennen. Entsprechend
der erhaltenen Daten, soll eine Prognose erstellt werden, inwieweit der Motor für die realen Kraftwerkstest
im Verein und bei der SachsenStirling geeignet ist.
AP12:
Aufbau eines prototypischen Modellkraftwerks (IWM, Sachsen Stirling, Verein)
Um die überarbeiteten Stirling-Motoren, Erhitzerköpfe und Beschichtungen möglichst praxis- und zeitnah
testen zu können, wird das IWM ein Modellkraftwerk in die IWM-Haustechnik integrieren. Zubehör und
dafür nötiges know how werden von SachsenStirling und dem ortsansässigen Verein geliefert.
AP13:
Ausfallstatistik
Um die Haltbarkeit und Funktionalität des überarbeiteten motorischen Zentralblocks (Stirlingmotor,
Generator, Erhitzerkopf) der Sunmachine auch statistisch erfassen und auswerten zu können, werden die
von NAS und IWM evaluierten und für tauglich befundenen sets bestehend aus überarbeiteten Kurbeltrieb,
neuem Lagerkonzept, verbesserten Erhitzerkopf und verschleißfesten Beschichtungen in verschiedenen
Anlagen des Vereins und dem Zugriffsbereich der SachsenStirling getestet.
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Zeitplan
Arbeitspaket
AP
Nr.
Systemanalyse
1
2
Aufbau StirlingPrüfstand
Inbetriebnahme
Stirling-Prüfstand
Sichtung
Konstruktionsunterlagen
Prüfstandsläufe IstZustand
Modellierung
Kurbeltrieb
Bau ‚Neuer
Kurbeltrieb’
DLC-Beschichtung
Stirling
Konzeptentwicklung
Erhitzerkopf
Titanbasierte
Hochtemperaturbeschichtung
Prüfstandsläufe mit
‚Neuem’ Stirling
Aufbau
Modellkraftwerk am
IWM
Test
Modellkraftwerk im
Verein/Sachsen
Stirling GmbH
04/
05/
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07/
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09/
10/
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12/
01/
02/
03/
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