Beschreibung

Mit der Entwicklung von Turbomaschinen wird die Abdichtung der Wellenenden, die verhindert, dass das Prozessfluid aus der Maschine in die Atmosphäre entweicht, immer wichtiger. Dichtungsfehler sind verantwortlich für unerwünschte und ungeplante Maschinenstillstände im Feld und können bei Verwendung gefährlicher Fluide zur Gefahr für Mensch und Umwelt werden. Die Forschung an berührungslosen Gleitringdichtungen mit Trockengasschmierung, die im Allgemeinen als DGS (Dry Gas Seals) abgekürzt werden, wird aufgrund des geringen und kontrollierbaren Leckagemassenstroms sowie des berührungslosen Betriebes und der Eignung für die Hochdruckumgebung als Dichtungslösung eingesetzt. Aktuelle Modelle sind im begrenzten Umfang in der Lage, die Leistung der Dichtungskonstruktion zu validieren und Konstruktionsprobleme anhand der Betriebskriterien zu identifizieren. Die fortschreitende Digitalisierung eröffnet der DGS die Möglichkeit, Leistungsdaten in Echtzeit zu analysieren. In diesem Forschungsvorhaben wird die Untersuchung des digitalen Zwillings mechanischer Trockengasdichtungen (DGS) experimentell und numerisch erforscht. Basierend auf den experimentellen Daten kann eine dynamische Modellierung des Systems erfolgen, die die Interaktion der Komponenten berücksichtigt und den Einfluss der charakteristischen Parameter in Bezug auf die Dichtungsleistung in jeder Phase ihres Lebenszyklus zeigt. Die so gewonnenen Daten und das daraus resultierende Wissen können in einer Datenbank hinterlegt und mit einem Digitalen Zwilling verlinkt werden. Dies ermöglicht nicht nur die Trockengasdichtung in der frühen Entwurfsphase zu optimieren, sondern auch die Möglichkeit, den aktuellen Zustand und die aktuelle Funktionsfähigkeit der Dichtung zu ermitteln und so an einem pro-aktiven Servicekonzept zu arbeiten.

Projektziel

Die Erreichung der übergeordneten Ziele der Flexibilisierung, der Erweiterung des Arbeitsbereiches und der Effizienz setzt die technische Beherrschbarkeit der Dry Gas Seals (DGS) unter den neuen Randbedingungen voraus. Hierzu zählt im ersten Schritt im Wesentlichen die Vorhersage und Produzierbarkeit des Spaltes in der Größenordnung von wenigen Mikrometern sowie die Interaktion der Komponenten untereinander. Mit der Modellierung der charakteristische Parameter und der kontinuierlichen Vermessung der Dichtung (Dichtspalt, Druckverteilung etc.) kann ein digitales Zwillingsmodell erstellt und der „Gesundheitszustand“ in jeder Phase des Lebenszyklus abbildet werden. Die so gewonnenen Daten und das daraus resultierende Wissen können in eine Auslegungsmethode übertragen werden, die nicht nur die Trockengasdichtung in der frühen Entwurfsphase optimieren, sondern auch die Möglichkeit bietet an einem proaktiven Servicekonzept zu arbeiten.
Das Ziel besteht darin, einen Digitalen Zwilling der Gleitringdichtung (GLRD) aufzubauen. Somit können alle Einflussgrößen in Echtzeit erfasst und den erforderlichen Systemen zur Verfügung gestellt werden. Dem Anwender soll somit in Real-Time der aktuelle Dichtspalt der GLRD angezeigt werden können. Darüber hinaus sollte die Wirksamkeit der analytischen Berechnungsmodelle mit Hilfe der SOM überprüft werden.
Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung der Benutzeroberfläche und der Schnittstelle zwischen dem Digitalen Zwilling und seinem physischen Pendant, das die Hardware und die Sensoren enthält. Das „Twinning“ zwischen dem digitalen Modell und dem physischen Körper sollte nahtlos und schnell sein. Anschließend wird die anhand der erfassten Daten erstellte Datenbank in das digitale Modell aufgenommen. Die gefilterten eingehenden Kenngrößen für die spezifische Funktion des Zwillings werden verarbeitet, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie die Parameter interagieren und die Dichtungsleistung beeinflussen. Es sollte untersucht werden, wie die Kenngrößen das Verhalten der Dichtung in Zukunft auf der Grundlage des aktuellen Leistungsniveaus beeinflusst werden. Die Teilziele bestehen in der Modellbildung zur Vorhersage der Spaltgrößen und Implementierung der Modelle in die Datenbank.

Produktergebnisse

Die Projektergebnisse zeigen, dass ein digitaler Zwilling der Gleitringdichtung aufgebaut werden konnte. Dieser besitzt eine service-orientierte und damit standardisierte Struktur, welche für weitere Assets – mit geringerem Anpassungsaufwand – verwendet werden kann. Die Ziele alle Einflussgrößen in Echtzeit zu erfassen und den erforderlichen Systemen zur Verfügung zu stellen, sowie dem Anwender den aktuellen Dichtspalt anzeigen zu können wurden erreicht. Darüber hinaus konnte die Wirksamkeit der analytischen Berechnungsmodelle mit Hilfe von neuronalen Netzen (Selbstorganisierte Merkmalskarten) bestätigt werden. Die in diesem Forschungsvorhaben erarbeiteten Ergebnisse können bei dem Projektpartner, aber auch in einem Folgeprojekt verwendet werden

Zeitraum

01.09.2020 bis 31.10.2022

Industriepartner

Siemens Gas and Power GmbH & Co. KG, Duisburg

Projektträger

Forschungszentrum Jülich GmbH (PT-J.ESE5)