Vibrationstest mit dem CT-2X Turbo Kompressor mit Luftlagern für mobile Brennstoffzellenanwendungen

15. September 2020

Turbo Kompressoren für Brennstoffzellensysteme müssen den Vibrations- und Lebensdaueranforderungen mobiler Brennstoffzellenanwendungen wie zum Beispiel Straßenfahrzeugen gerecht werden. Bei wälzgelagerten Kompressoren beeinflussen Vibrationsniveaus normalerweise den Verschleiß des Lagers und damit die Lebensdauer. Dies ist bei gasgelagerten Kompressoren, wie zum Beispiel der CT-2X-Baureihe anders: Die Frequenzen und Amplituden der Vibration definieren, in wieweit der gasgelagerte Kompressor in seiner Lebensdauer beeinträchtigt wird. Daher ist es erforderlich, den Kompressor auf einem Prüfstand auf die spezifizierten Anforderungen hin zu testen, um die Integrität nachzuweisen.

Das folgende Video zeigt den CT-2X auf dem Vibrationsprüfstand:

Celeroton verwendet die Technologie der dynamischen Gaslager. Im Fall von Luft als Gas bildet der Rotor ein Kissen aus, auf dem er schwebt. Weitere Einzelheiten zur Funktionalität der gasführenden Strukturen finden Sie im folgenden Artikel. Unterhalb der Abhebegeschwindigkeit tritt Gleitreibung auf. Oberhalb der Abhebedrehzahl reicht das durch die Drehung gebildete Luftkissen aus, um das Gewicht des Rotors zu tragen. Beim Betrieb bei der Abhebegeschwindigkeit verschiebt jedoch jede zusätzliche extern angeregte Beschleunigung den Rotor so, dass er den Stator berührt und möglicherweise zu Verschleiss oder einer irreversiblen Schädigung der Anlage führt. Durch Erhöhen der Drehzahl erhöht sich die Tragfähigkeit des Lagers und die Belastbarkeit gegenüber von aussen einwirkender Beschleunigung. Neben der Drehzahl hängt die Belastungskapazität auch vom Druck im Lager und der Temperatur am Einlass ab. Der Druck entspricht nahezu dem Umgebungsdruck, der bei Strassenfahrzeugen hauptsächlich mit der Höhe variiert. Die Temperatur hängt davon ab, ob es sich um einen initialen Kaltstart oder einen konstanten Betriebsmodus handelt.

 

          

                               Abbildung 1: Reibleistung vs. Drehzahl.   

 

           

               Abbildung 2: Beispiel für Vibrationstragfähigkeit vs. Drehzahl.

 

Die Durchführung von Schock- und Vibrationstests mit gasgelagerten Kompressoren ist daher wichtig, um den Betrieb bei den angegebenen Vibrationsniveaus sicherzustellen.

Die folgende Beschreibung betrifft die CT-2X-Kompressor - Baureihe und zeigt, wie Vibrationstests mit diesem System durchgeführt werden. Alle Tests werden gemäss Abbildung 3 in der x-, y- und z-Achse durchgeführt. 

 


                

                      Abbildung 3: Bestimmung der des Kompressor Achsen.    

 

             

              Abbildung 4: Das CT-2X-Turbokompressorsystem
              auf dem
Vibrationsprüfstand 

 

Sweep Test

Die erste durchgeführte Prüfung ist ein Sweep-Test. Ziel des Sweep-Tests ist es, Systemresonanzfrequenzen zu ermitteln, die folgende mögliche Ursachen haben:

  • Steifigkeit / Dämpfung des Rotors in Gaslagern.
  • Kompressor-Gehäuse in seiner Aufhängung.
  • Gehäuseteile des Kompressors.

Shock Test
Falls der Sweep Test im betreffenden Bereich keine Resonanzfrequenzen zeigt, wird der Vibrationstest mit der Schockprüfung fortgesetzt. Der Schocktest wird durchgeführt, um eine begrenzte Anzahl einzelner Ereignisse wie Schlagloch-Durchfahrten oder Abstürze zu simulieren. Technisch gesehen ist ein Schocktest eine halbe Sinusbeschleunigung mit einer definierten Dauer (Periode des halben Sinus) und Amplitude. Eine typische Dauer in automobilen Anwendungen beträgt 11 Millisekunden. Während dieser Zeit durchläuft ein mit 100‘000 U/min drehender Kompressor 18 Umdrehungen. Für das Gaslager bedeuten 11 Millisekunden eine nahezu statische Last. Da im Betrieb des Kompressors das Gaslager während eines solchen Stosses generell nicht aufsetzen darf, ist die Anzahl der Stösse für das Gaslager nicht relevant. Daher können Schocks auch mit vollen Sinusbeschleunigungen mit konstanter Frequenz und Amplitude (als Sweeps) getestet werden. Auf Systemebene (Gehäuseteile, Schrauben usw.) stellt diese Belastung jedoch einen härteren Test dar.

Die Spezifikationen für Schocktests können wie in Tabelle 1 aussehen. Die CT-2X-Kompressoren wurden erfolgreich auf diese Spezifikationen geprüft.

 

                      

                               Tabelle 1: Schocktest-Spezifikationen.

 

Stichproben-Vibrationstest
Der letzte Test ist eine zufällige Schwingungsprüfung, die einen Standard-Vibrationstest für die Lebensdauer von getesteten Geräten darstellt. Ziel ist es, die mechanische Stabilität von Schraubverbindungen, Lötstellen usw. zu überprüfen, die sich während der Vibration lösen, abnutzen oder abtrennen können. Zufällige Schwingungen werden mittels eines PSD-Profils (Power Spectral Density) definiert. Die maximale Beschleunigung beträgt normalerweise das Dreifache der RMS-Beschleunigung. In der Automobilindustrie wird der Test  in der Regel in einem Bereich von 10 bis 200 Hz mit RMS-Beschleunigungen im Bereich von 3 bis 5 g (~ 30 bis 50 m/s 2) definiert. Es gibt verschiedene Standards für PSD-Vibrationstests. Die Spezifikationen für die CT-2X-Vibrationstests basieren auf der Norm „ISO-16750-3-Test IV - Pkw, gefederte Massen (Fahrzeugkarosserie)“, welche die Anforderungen an Komponenten in der Fahrzeugkarosserie definiert. Die angewandten Tests sind in Abbildung 5 zusammengefasst.

 

         

      Abbildung 5: PSD-Schwingungsprofil, welches Teil der Norm ISO-16750-3
      Test IV - Personenkraftwagen, gefederte Massen (Fahrzeugkarosserie) ist.

 

Nach jedem Test wird die Abhebedrehzahl des Kompressor-Rotors (siehe Abbildung 1) überprüft. Eine Änderung der Abhebegeschwindigkeit würde auf eine Abweichung oder Beschädigung des Gaslagers hinweisen. Bei den Celeroton Turbo Kompressoren CT-25-10000.GB und CT-22-12000.GB wurde während und nach Stoss- und Vibrationstests keine Änderung der Abhebedrehzahl beobachtet. Darüber hinaus zeigt die Sichtprüfung der Kompressoren keine losen Schraubverbindungen oder sonstigen Schäden an den Kompressoren, was die Robustheit in Bezug auf automobile Anwendungen zeigt.

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