Die nachfolgende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwicklungsprozess eines optischen Filterrads für den
Mond Roboter «GLIMPSE». Mit Hilfe eines Filterrads können Rückschlüsse auf die chemischen Elemente
der mondanalogen Umgebung gezogen werden, in welcher der Roboter im Rahmen der Space Resource
Challenge eingesetzt wird. Die Entwicklung des Filterrads erfolgte mit den für die Produktenwicklung
üblichen Methoden wie der Auflistung der Anforderungen, dem Unterteilen der Aufgabenstellung in
Teilprobleme und der Auswertung der Teillösungen. Das Lösungskonzept wurde nach der Herstellung mit
Hilfe von Tests analysiert. Das Filterrad verfügt über fünf optische Bandpassfilter sowie einer Öffnung für
eine ungefilterte Sicht. Der Antrieb erfolgt über einen Gleichstrommotor mit einem Schneckengetriebe.
Zudem lässt sich das System einfach am bestehenden Kameramodul befestigen. Bei der Durchführung der
Tests konnte bestätigt werden, dass das Filterrad alle mechanischen Anforderungen erfüllt.
The following thesis deals with the development process of an optical filter wheel for the lunar robot
«GLIMPSE». By upgrading the camera available on the robot with a filter wheel, conclusions can be drawn
about the chemical composition of the lunar analogue environment in which the robot is operated in the
context of the Space Resource Challenge. The filter wheel was developed using the common methods for
product development, such as listing the requirements, dividing the task into sub-problems and evaluating the
partial solutions. The final concept could be analysed after its production by a test programme. The filter
wheel system has five optical band-pass filters and an opening for an unfiltered view. It is driven by a DCmotor
with a worm gear. In addition, the filter wheel system can be easily attached to the existing camera
module. During the tests, it was confirmed that the filter wheel meets all mechanical requirements.
Fly Away Rail Guide
Diese Arbeit wurde für den Studentenverein ARIS – Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz erstellt.
Um die Leistungsfähigkeit einer von ARIS gebauten Rakete zu optimieren, sollen die Rail Buttons der
Rakete mit einem Fly Away Rail Guide System ersetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Konzept für
ein Fly Away Rail Guide System entworfen, evaluiert und ein Prototyp gebaut werden. In einem ersten
Schritt wird ein Tool erstellt, welches den negativen Einfluss der Rail Buttons bestimmt. Es stellt sich heraus,
dass die Rail Buttons die maximal erreichbare Höhe der Rakete um 40 𝑚 verringern.
In einem nächsten Schritt wird ein rein mechanisches Konzept entworfen. Das Konzept der Konstruktion
basiert auf einer Grundstruktur eine zwei-Mal-zwei-Halbschalen Systems. Damit die Rakete weiterhin im
Launch Rail geführt wird, sind an der Konstruktion Rail Buttons angebracht. Der Fly Away Rail Guide löst
sich von der Rakete durch Druckfedern, welche vor dem Start vorgespannt werden. Es werden die durch die
Konstruktion zusätzlich entstandenen Verluste mit den Verlusten der Rail Buttons verglichen und es stellt
sich heraus, dass durch das Verwenden des Fly Away Rail Guides ein Höhengewinn der Rakete von bis zu
12 𝑚 erzielt werden kann.
Fly Away Rail Guide
This thesis was written for the student association ARIS – Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz
For the optimization of the performance of a rocket by ARIS, the rocket’s Rail Buttons should be replaced by
a Fly Away Rail Guide system. The goal of this thesis is to develop and evaluate a concept for a Fly Away
Rail Guide system and built a prototype. In a first step, a tool was created, which could determine the
negative effect of the Rail Buttons. It turned out, that the Rail Buttons lower the rocket’s maximum
achievable height by 40 𝑚. In a next step, a pure mechanical concept was designed. The concept is based on
a basic structure of a two-times-two-half-shell system. For the rocket to still be guided in the Launch Rail,
Rail Buttons were attached to the construction. The Fly Away Rail Guide releases itself from the rocket with
prestressed compression springs. The new power losses due to the construction were compared to the power
losses due to the Rail Buttons. It turns out, that by using this Fly Away Rail Guide system the maximum
achievable height increases by up to 12 𝑚.
Die “Association pour le Développement de l’Energie Solaire” (ADES) ist eine Nichtregierungsorganisation (NGO),
welche sich für die Erhaltung der Lebensgrundlagen auf Madagaskar einsetzt. Dies da auf Madagaskar bereits 90%
der ursprünglichen Waldflächen abgeholzt wurden. Durch den Einsatz von Solar- und Energiesparkochern senken
sie den Verbrauch von Brennmaterialien wie Holz.
Langfristig wird aber eine Lösung benötigt, welche kein Brennmaterial verbraucht. Deshalb wird in dieser Arbeit
ein Lösungskonzept für ein Solarkochherd mit Latentwärmespeicher entwickelt, mit welchem das Kochen ohne
Brennmaterial möglich ist. Durch die Verwendung eines Latentwärmespeichers kann die tagsüber verfügbare Sonnenenergie
abends zum Kochen genutzt werden.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird als erster Schritt eine Technologierecherche durchgeführt, um den Stand der
Technik aufzuarbeiten. Auf Basis dieser Technologierecherche wurden verschiedene Lösungskonzepte erarbeitet
und bewertet. Aus diesen wurde das geeignetste Konzept ausgewählt und ein Funktionsmuster aufgebaut. Bei diesem
wird der Latentwärmespeicher des Solarkochherds mit einem Parabolspiegel beladen. Im Latentwärmespeicher
wird D-Mannitol als Speichermaterial genutzt. D-Mannitol ist ein Zuckeralkohol und deshalb für die Verwendung
unbedenklich, da diese keine Gefahrenkennzeichnung aufweisen. Durch Tests mit dem Funktionsmuster wurde festgestellt,
dass das D-Mannitol für die vorgesehene Anwendung jedoch ungeeignet ist. Dies aus dem Grund, da sich
im Speicher-Behälter des Solarkochherds Wasser gebildet hat und die starke Unterkühlung von D-Mannitol eine
Wärmeabgabe auf einem deutlich tieferen Temperaturniveau als der Schmelztemperatur zur Folge hatte. Das Wasser
entstand durch die Degradation von D-Mannitols, wodurch dieses dehydriert. Durch das Wasser bildet sich bei
der Erwärmung Wasserdampf, wodurch sich im Speicher-Behälter des Solarkochherds Druck aufbaut.
Auf Basis dieser Erkenntnisse wird empfohlen für den Aufbau eines nächsten Solarkochherds mit Latentwärmespeicher
kein Zuckeralkohol zu verwenden, sondern die Salzmischung Solar Salt. Dieses weist eine geringe Unterkühlung
auf, hat aber den Nachteil, dass dieses Material eine Gefahrenkennzeichnung hat, da es sich um Nitrate
handelt.
The ADES is a NGO that works to preserve Madagascar’s livelihoods. This is because already 90% of the original
forest areas in Madagascar has been lost. By using solar and energy-efficient cookers, they reduce the consumption
of combustible materials such as wood.
In the long term, however, a solution is needed that doesn’t consume combustible materials. Therefore, in this
Bachelor thesis a solution concept for a solar cookstove with latent heat storage is developed, with which cooking
without combustible materials is possible. By using a latent heat storage, the available solar energy during the day
can be used for cooking in the evening.
In order to achieve this goal, the first step is to make a technology research in order to work out the state of the
art. On the basis of this technology research, various solution concepts were developed and evaluated. From these,
the most suitable concept was selected and a functional model was built. With this, the latent heat storage of the
solar cookstove ist loaded with a parbolic mirror. In the latent heat storage D-mannitol is used as storage material
for the latent heat storage. D-mannitol is a sugar alcohol and therefore its use is safe, as they don’t have a hazard
labelling. Through tests with the functional model, it was determined that the D-mannitol is unsuitable for the
intended application. Because water formed in the storage tank of the solar cookstove and the high subcooling of
D-mannitol resulted a heat release at a lower temperature level than the melting point. The water was formed
by the degradation of D-mannitol, which dehydrates it. Through the water it forms water vapour, when the solar
cookstove is heated up. This water vapour produce than a high pressure in the storage tank.
Based on these findings, it isn’t recommended to use sugar alcohol for the construction of a next solar cookstove
with latent heat storage. For the next solar cookstove the salt mixture Solar Salt is recommended. This salt mixture
has a low subcooling, but the disadvantage that it has a hazard labelling as it consists of nitrates.
Das Thema dieser Arbeit handelt von der Verwendung eines biologisch abbaubaren Ester in einem Direktkontaktlatentwärmespeichersystem.
In der laufenden Energiewende steigt auch die Nachfrage nach nachhaltigen Ressourcen
und deren Verwendung in prozessoptimierenden Applikationen. Zu diesen gehören auch die Speichersysteme, welche
eine reversible Wärmespeicherung ermöglichen. Diese Art der Wärmespeicherung unterscheidet sich nicht nur
zwischen der sensiblen und latenten Wärmespeicherung, sondern auch in der Wärmeübertragungsart zwischen dem
Wärmeträgermedium und dem Speichermaterial. Der hier untersuchte Direktkontaktlatentwärmespeicher gehört
zu den latenten Wärmespeichern, bei denen die Wärmeübertragung an grossen Oberflächen innerhalb des Speichers
erfolgt. Umgesetzt wird dies, indem das Speichermedium innerhalb des Speichers in direktem Kontakt zum
Wärmeträgermedium steht und so eine Wärmeübertragung ermöglicht. Die Herausforderung in der Umsetzung
eines Direktkontaklatentwärmespeicher ist die Auswahl der geeigneten Medien. Diese müssen eine relative Dichtedifferenz,
keine Löslichkeit im anderen Medium sowie unterschiedliche Phasenwechseltemperaturen aufweisen.
Um diese Bedingungen und das Verhalten der Materialpaarung zu untersuchen, soll ein Konzept eines Direktkontaktlatentwärmespeichersystem
im Labormassstab erstellt werden. Das konzeptionierte System soll eine schnelle
Charakterisierung der thermischen Prozesse sowie eine optische Datenfassung der Trenn- und Mischprozesse innerhalb
des Speichers ermöglichen. Zusätzlich erfolgt eine Charakterisierung des biologisch abbaubaren Ester Methyl
Palmitat und die Prüfung dessen Verwendbarkeit als Speichermaterial. Neben dem Speichermaterial wird ein geeignetes
Wärmeträgermedium gewählt, damit bei der Realisierung des Konzeptes, ein passendes Materialpaar, für
angehende experimentelle Untersuchungen, zur Verfügung steht.
The topic of this thesis is the use of a biodegradable ester in a direct contact latent heat storage system. In the
ongoing energy transition, the demand for sustainable resources and their use in process-optimizing applications
is also increasing. These also include storage systems, which enable reversible heat storage. The method of heat
storage differs not only between sensitive and latent heat storage, but also in the heat transfer method between the
heat transfer medium and the storage material. The direct contact latent heat storage investigated here belongs
to the group of latent heat storages in which the heat transfer takes place on large surfaces within the storage.
This is achieved by the storage medium within the storage medium having direct contact with the heat transfer
medium and thus undergoing a heat transfer. The challenge in implementing a direct contact heat storage is the
selection of suitable medium. These must have a relative density difference, no solubility in the other medium and
different phase change temperatures. In order to investigate these conditions and the behaviour of the material
pairing, a concept of a direct contact latent heat storage system on a laboratory scale is to be developed. The
conceptualized system shall allow a fast characterization of the thermal processes as well as optical data acquisition
of the separation and mixing processes within the storage. Further, the biodegradable ester methyl palmitate is
characterized and tested as a storage material. In addition to the storage material, a suitable heat transfer medium
is selected in order to provide a suitable material pair for future experimental investigations.
Die Firma Georg Fischer Machining Solutions AG hat sich der Aufgabe verschrieben, das Kühlen von
Hochpräzisions-Spindel in Werkzeugmaschinen effizienter zu machen. Dazu wurde in Zusammenarbeit mit der
Hochschule Luzern ein Hochleistungskühlmittel auf Basis von Wasser und einem Phasenwechselmaterial
entwickelt. Durch den Phasenwechsel kann im Vergleich zu herkömmlichen Kühlmitteln mehr Wärmeenergie
aufgenommen beziehungsweise abtransportiert werden.
Ziel dieser Arbeit ist es in einem ersten Schritt, die bereits vorhandenen Mess-Strecke mittels Wasser-Messungen
zu validieren. In einem zweiten Schritt soll anhand der Phasenwechseldispersion das thermische Verhalten und
die Eigenschaften solcher Hochleistungskühlmittel untersucht werden, um den optimalen Betriebspunkt zu
ermitteln. Die durchgeführten Messungen werden mit bekannten Korrelationen aus der Literatur verglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei optimaler Eintrittstemperatur bis zu dreimal mehr Wärme aufgenommen werden
kann als mit Wasser und sich die Phasenwechseldispersion dabei um weniger als 1 K erwärmt, im Vergleich zu
Wasser, dass sich um fast 3 K erwärmt. Die Nusselt-Zahlen der bereits bestehenden Korrelation ergeben
Abweichungen von weniger als 15 %, was auch den Abweichungen von Wasser entspricht.
The company Georg Fischer Machining Solutions AG has been dedicated to the task of improving the efficiency
of the cooling of high-precision spindles in machining tools. To this end, a high-performance coolant, based on
water and a phase change material was developed in collaboration with the Lucerne University of Applied Sciences
and Arts. As a result of the phase change, more thermal energy can be absorbed or transported away compared to
conventional coolants.
Firstly, the aim of this work is to validate the existing experimental setup by water measurements. Furthermore,
the thermal behaviour and thermophysical properties of such high-performance coolants are to be investigated to
determine the optimum operating conditions. The measurements carried out are subsequently compared with
known correlations from the literature.
The results show that at an optimal inlet temperature, up to three times more heat can be absorbed than with water
and that the phase change dispersion heats up by less than 1 K in the process compared to water, which heats up
to nearly 3 K. The Nusselt numbers of the already existing correlation results in deviations of less than 15 %, which
also corresponds to the deviations of water.
Wenn man von 3D-Druckern spricht, denken viele Leute an Teile aus Kunststoff, die in unterschiedlichen Bereichen der Industrie verwendet werden. Dass aber auch Lebensmittel wie Schokolade mit einem Drucker verarbeitet werden können, überrascht die meisten.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Konstruktion eines Extruders für Schokoladendrucker, welcher mit Pulver als Ausgangsstoff arbeiten kann, um den Schritt des vorgängigen Schmelzens der Schokolade zu umgehen. Damit das feste Pulver gefördert werden kann, wird eine Pumpe verwendet, die mittels 3D Druck hergestellt werden kann. Es handelt sich dabei um eine exzentrische Schneckenpumpe mit einem Hypozykloidenquerschnitt. Das Schmelzen der Schokolade soll während dem Fördervorgang in der Pumpe selber passieren.
Die Machbarkeit des genannten Funktionsprinzips soll bewiesen werden. Um dies zu erreichen, wird ein Funktionsdemonstrator konstruiert und in mehreren Iterationen verbessert.
Im Verlaufe der Arbeit stellte sich heraus, dass die mechanischen und festigkeitsbezogenen Anforderungen an den Funktionsdemonstrator sehr komplex sind. Auf Grund dessen konnte lediglich bewiesen werden, dass das Fördern von Pulver mit der besagten Pumpe möglich ist, obwohl auch die Möglichkeit an Werkstoffen sehr beschränkt war.
Um ein Extruder zu erhalten, der alle gewünschten Funktionen umsetzen kann, sollte auf Basis der gewonnenen
Erkenntnisse aufgebaut werden.
When it comes to 3D printers many people think of plastic parts used in various sectors of today’s industry. The fact that even foods like chocolate can be processed with a printer surprises most people.
This thesis contains the development of an extruder for chocolate printers, that is able to use powder as a raw material to avoid the step of pre-melting chocolate. To convey the solid powder, a pump, that can be produced by means of 3D printing, is used. It is an eccentric screw pump with a cross section based on a hypocycloid. The melting of the chocolate should happen during the transport process in the pump itself.
This should prove the feasibility of the mentioned principle of operation. To achieve this, a function demonstrator is constructed and improved in several iterations.
In the course of this thesis, it became clear, that the mechanical and strength-related requirements of the function demonstrator are very complex. Due to this, it could only be proved, that it is possible to convey the solid powder with said pump, although the possibility of materials was very limited.
In order to obtain an extruder, which can implement all desired functions, the next steps should be based on the knowledge acquired during this thesis.
Beim Transport von Kies und Brechsand mit offenen Güterwagen kann es zu Abwehungen des Ladeguts kommen. Daher wurde in einem vorhergehenden Industrieprojekt eine Abdeckung aus Aluminium entwickelt, welche zum Beladen seitlich weggeklappt werden kann und bei der Fahrt geschlossen wird. In einem weiteren Industrieprojekt ist die Festigkeit des Kieswagens im Originalzustand analysiert worden.
Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit besteht darin, die Festigkeit der Abdeckung aus Aluminium sowie deren Befestigungen am Wagenkasten aus Stahl nach aktuellen EN-Normen nachzuweisen.
Die Berechnung der vorhandenen Spannungen erfolgt mittels der Finiten Elemente Methode. Die zulässigen Spannungen werden gemäss den aktuellen DVS-Richtlinien für Schienenfahrzeuge ermittelt und mit den vorhandenen Spannungen verglichen. Die Bewertung der Schweissnähte erfolgt anhand des Nennspannungskonzepts.
Für alle neuen Komponenten des modifizierten Kieswagens kann die Festigkeit nach EN 12663-2 nachgewiesen werden. Ausserhalb der neuen Bauteile (Chassis, Aufbau Trichter) kann der Festigkeitsnachweis an einigen Stellen nicht erbracht werden. Insbesondere im Ermüdungslastfall 2.3 (laterale Beschleunigung) sind die Auslastungen in einigen Schweissnähten zu hoch. Bei allen anderen Lastfällen liegt die Auslastung überall unter Eins.
Es zeigt sich, dass die Auslastung der kritischen Stellen durch den geplanten Aufbau kaum beeinflusst wird. Die Spannungen in den kritischen Stellen unterscheiden sich zwischen Original-Struktur und modifizierter Struktur um höchstens 5%.
Als weiteres Vorgehen wird empfohlen, mit dem Bundesamt für Verkehr abzuklären, welche Nachweise für eine Betriebsbewilligung erforderlich sind.
When transporting gravel and crushed sand with open freight wagons, the load can drift away. Therefore, in a previous industrial project, a cover made of aluminium was developed, which can be folded away to the side for loading and is closed during the journey. In another industrial project, the strength of the gravel truck in its original state was analysed.
The goal of this bachelor thesis is to prove the strength of the aluminium cover and its fastenings to the steel wagon body according to current EN standards.
The calculation of the existing stresses is carried out using the finite element method. The permissible stresses are determined according to the current DVS guidelines for rail vehicles and compared with the existing stresses. The evaluation of the weld seams is carried out using the nominal stress concept.
For all new components of the modified gravel truck, the strength can be verified according to EN 12663-2. Outside of the new components (chassis, superstructure hopper), the strength verification cannot be provided in some places. Especially in fatigue load case 2.3 (lateral acceleration), the loads in some weld seams are too high. In all other load cases, the utilisation is below one everywhere.
The utilisation of the critical points is hardly influenced by the planned structure. The stresses in the critical points differ between the original structure and the modified structure by no more than 5%.
As a further procedure, it is recommended to clarify with the Federal Office of Transport which verifications are required for an operating licence.
In dieser Arbeit wird eine alternative Steuerung für eine Bandsägen-Schleifmaschine evaluiert. Zuvor
definierte Anforderungen an die Steuerung und eine systematische Bewertung unterstützen diesen Prozess.
Die Programmabläufe und das HMI sind zuvor grafisch entworfen und festgehalten worden. Die Logik der
Steuerung wird in der Entwicklungsumgebung der gewählten Steuerung programmiert und die Visualisierung
für das HMI aufgebaut. Abschliessend wird die Hardware beim Industriepartner aufgebaut und die Steuerung
an einer internen Vorführmaschine des Industriepartners in Betrieb genommen. Anhand von Tests durch
unterschiedliche Personen kann die Funktion der Programmierung validiert und unter Umständen korrigiert
werden.
An alternative electric control for an bandsaw grinding machine will be evaluated in this thesis. Previously
defined requirements to the control unit and a systematic selection support this process. The program
sequences and the HMI were graphically drafted and recorded beforehand. The logic of the PLC will be
programmed in the programming environment of the chosed control unit and the visualization fot the HMI
will be build up. Finally, the hardware will be assembled at the industrial partners company and the electic
control will be put into operation on an internal demonstration machine. The function of the logic can be
validated and possibly corrected by the aid of tests from different persons.
In dieser Arbeit wird eine alternative Steuerung für eine Bandsägen-Schleifmaschine evaluiert. Zuvor
definierte Anforderungen an die Steuerung und eine systematische Bewertung unterstützen diesen Prozess.
Die Programmabläufe und das HMI sind zuvor grafisch entworfen und festgehalten worden. Die Logik der
Steuerung wird in der Entwicklungsumgebung der gewählten Steuerung programmiert und die Visualisierung
für das HMI aufgebaut. Abschliessend wird die Hardware beim Industriepartner aufgebaut und die Steuerung
an einer internen Vorführmaschine des Industriepartners in Betrieb genommen. Anhand von Tests durch
unterschiedliche Personen kann die Funktion der Programmierung validiert und unter Umständen korrigiert
werden.
An alternative electric control for an bandsaw grinding machine will be evaluated in this thesis. Previously
defined requirements to the control unit and a systematic selection support this process. The program
sequences and the HMI were graphically drafted and recorded beforehand. The logic of the PLC will be
programmed in the programming environment of the chosed control unit and the visualization fot the HMI
will be build up. Finally, the hardware will be assembled at the industrial partners company and the electic
control will be put into operation on an internal demonstration machine. The function of the logic can be
validated and possibly corrected by the aid of tests from different persons.
Für ein Forschungsprojekt zusammen mit der Swisspor AG wird ein System entwickelt, das es erlaubt,
grossräumige saisonale thermische Energiespeicher (STES) kostengünstig zu bauen. Dafür wird das gedämmte
Abdichtungssystem (GEAS) eingesetzt, welches dafür sorgt dass aus dem genutzten Raum kein Wasser austreten
kann und gleichzeitig thermisch gedämmt ist. Die vorliegende Bachelor-Thesis befasst sich mit dem Verhalten des
Dämmmaterials aus Polyisocyanuraten (PIR) unter mechanischer und thermischer Belastung und der daraus
resultierenden Kriechdehnung. Der Schwerpunkt liegt auf der Regelung der Luftfeuchtigkeit in einem Setup,
welches die Belastungen Simulieren kann und bis zum Zeitpunkt vor dieser Arbeit die Luftfeuchtigkeit nur
gemessen und nicht beeinflusst hat. Damit wurden bereits mehrere Versuche durchgeführt, die ergaben, dass
das Dämmmaterial durch erhöhte Luftfeuchtigkeit aufquillt. Nach einer Literaturrecherche zum Stand der Technik
in der Luftbefeuchtung und -trocknung wird mittels Experimenten ein Konzept für den Umbau des Prüfstands
entwickelt, damit die Luftfeuchtigkeit reguliert werden kann. Anschliessend wird der Prüfstand umgebaut und es
werden erste Experimente mit stabilisierter Luftfeuchtigkeit im Testkanal durchgeführt und ausgewertet. Die
Auswertung von drei erfolgreichen Experimenten ergeben einen direkten Zusammenhang zwischen
Luftfeuchtigkeit und Ausdehnung des Dämmmaterials. Zum Ende dieser Arbeit ist jedoch nicht klar ob der
Zusammenhang linear ist oder nicht. Auf Basis der erstellten Python-Skripts können in Zukunft weitere
Experimente durchgeführt und ausgewertet werden.
For a research project together with Swisspor AG, a system is being developed that will allow large-scale seasonal
thermal energy storage (STES) at low building cost. For this purpose, the insulated sealing system (GEAS) is used,
which ensures that no water is able to escape from the storage system and is at the same time thermally
insulated. The presented bachelor thesis deals with the behavior of the insulating material made of
polyisocyanurates (PIR) under mechanical and thermal stress and the resulting creep strain. The focus is on the
control of the humidity in a setup that can simulate the loads and up to the time before this thesis only measured
the humidity and did not influence it. Several tests have already been carried out with this test stand, which
showed that the insulation material swells due to increased humidity. After a literature research on the state of
the art in air humidification and drying, by means of experiments a concept for the modification of the test rig is
developed, so that the air humidity can be regulated. Subsequently, the test rig will be modified and first
experiments with stabilized humidity in the test channel will be carried out and evaluated.
The evaluation of three successful experiments shows a direct correlation between air humidity and expansion of
the insulation material. At the end of this work, however, it is not clear whether the correlation is linear or not.
Based on the created Python scripts, further experiments can be performed and evaluated in the future.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit möglichen Gewichtsoptimierungen für das Hauptfahrwerk des
Kleinflugzeugs vom Typ RV-10. Der Hersteller VANS bietet dieses Flugzeug als Eigenbau-Kit an.
Das neue Fahrwerk muss die Zulassungsvorschrift CS-23 vollumfänglich erfüllen. In einem ersten Schritt
sind Untersuchungen zur Bestimmung der Eigenschaften des Standard-Fahrwerks durchgeführt worden.
Basierend auf Steifigkeitsbetrachtungen der Fahrwerkstruktur und Energiebilanzen können die maximal
wirkenden Radlasten bestimmt werden. Die Festigkeitsanalyse hat ergeben, dass das Fahrwerk die
Mindestanforderungen nicht erfüllt. Schon eine Belastung mit «limit load» führt im Fahrwerksbein zu
plastischen Deformationen. Dies konnte durch Original-Berechnungsdokumente, die bei der schweizerischen
Zulassungsstelle (EAS) hinterlegt sind, bestätigt werden.
Beim Lösungskonzept welches sich durchgesetzt hat, ist das Fahrwerk als durchgehende Schwinge konzipiert
und besteht komplett aus GFK-Laminaten. Die entstehende kinetische Energie bei der Landung wird zum
grössten Teil durch die elastische Deformation der Fahrwerksschwinge aufgenommen. Aufgrund der
effizienteren Energieaufnahme des neuen Fahrwerks sinken die maximalen Radlasten um 20 Prozent. Neu
wird das Hauptfahrwerk direkt an den Untergurt des Hauptholmens geklemmt. Die neu entwickelte
Fahrwerksaufhängung ist als Fest- und Loslager konzipiert worden. Die Studie hat gezeigt, dass eine
Gewichtsreduktion des Fahrwerks mit hohem Aufwand möglich ist. Das letztendlich eingesparte Fluggewicht
beläuft sich auf acht Kilogramm, was einer Gewichtsreduktion von 35 Prozent entspricht. Der
Industriepartner hat die Absicht geäussert, das Hauptfahrwerk in zweifacher Ausführung herzustellen. Nebst
dem obligatorischen Droptest bei «limit load» soll ein Fahrwerk ebenfalls einem «ultimate load»-Test
unterzogen werden.
The aim of this thesis was to optimize the weight of the main landing gear of the RV-10, a small aircraft
offered by VANS as a self-assembly kit. The new structure must fully meet the CS-23 certification
requirements. In a first step, investigations have been carried out to determine the characteristics of the
standard landing gear. Based on rigidity considerations of the chassis structure and energy balances, the
maximum effective wheel loads could be determined. The strength analysis has shown that the present
structure does not meet the minimum requirements, that means plastic deformations occur in the landing gear
leg even at «limit load». This was confirmed by the original calculation documents deposited at the Swiss
Approval Authority (EAS).
In the proposed concept, the landing gear is designed as a continuous swing arm and consists entirely of GRP
laminates. The occurring kinetic energy during landing is largely absorbed by the elastic deformation of the
landing gear’s swing arm. Due to the more efficient energy absorption of the new structure, the maximum
wheel loads are reduced by 20 percent. The main landing gear is now clamped directly to the lower flange of
the main spar. The newly developed chassis suspension has been designed as a fixed and floating bearing.
The study has shown that it is possible to reduce the weight of the landing gear at great expense. The final
weight saved amounts to eight kilogram, which corresponds to a weight reduction of 35 percent. The
industrial partner has expressed the intention to manufacture the main landing gear in two versions. In
addition to the obligatory drop test at «limit load», one sample will also be subjected to an «ultimate load»
test.
Diffusoren erweisen sich als wichtige Komponenten in der Strömungsmechanik. Auch in
Turbomaschinen - wie Radialverdichtern oder Gasturbinen - spielen diese eine wichtige Rolle, da sie
einerseits den Gesamtwirkungsgrad verbessern und andererseits das Druckverhältnis erhöhen.
Jedoch ist die Auslegung von Diffusoren in Turbomaschinen stets mit Schwierigkeiten verbunden. Die
vorliegende Arbeit zeigt den Einfluss der wesentlichen Diffusor-Design-Parameter auf das
Betriebsverhalten auf. Weiter wird eine numerisch optimierte Diffusorgeometrie (erzeugt durch eine
gradienten-basierte Adjoint Methode) grob vereinfacht und nummerisch untersucht. Dabei wurde der
Reynolds-Average-Navier-Stoke Ansatz, sowie ein Ω-RSM Turbulenzmodell verwendet und wurde mit
einem von der Hochschule Luzern entwickelten druckbasierten Solver durchgeführt.
Es wurde gezeigt, dass die Wahl der wesentlichen Diffusor-Design-Parameter einen Kompromiss
zwischen Betriebsbereichsgewinn und Druckerhöhung/Wirkungsgradgewinn darstellt. Nebst den
mathematischen Abhängigkeiten der Parameter des Diffusorkanals (Öffnungswinkel, Diffusorlänge
und Flächenverhältnis) haben sich weitere Zusammenhänge gezeigt. So ist beispielsweise der
Diffusoreintrittsradius, die Eintrittsweite, der Anstellwinkel und die Schaufelzahl voneinander
abhängig und müssen stets aufeinander abgestimmt sein. Zudem wurde gezeigt, dass sich die
Theorie ebener Kanaldiffusoren nicht direkt an Turbomaschinen anwenden lässt und somit
ausschliesslich zur groben Auslegung verwendet werden darf.
Weiter wurde gezeigt, dass die Vereinfachung eines nummerisch optimierten Keildiffusors einerseits
höhere Druckverhältnisse und Wirkungsgrade erreicht anderseits aber zu früher eintretenden
instabilen Verhalten führt (pumpengrenznaher Bereich). Trotz der sehenswerten
Wirkungsgradsteigerung und Druckerhöhung der vereinfachten Geometrie (V2) - im mittleren und
stopfgrenznahen Kennbereich (knapp 1.5 % höher, verglichen mit der Originalgeometrie) - und der
starken Korrelation mit dem Betriebsverhalten der nummerisch optimierten Geometrie, scheint eine
dreidimensionale Modifikation der Keilgeometrie als unverzichtbar.
Diffusers are important technical components in fluid mechanical applications. They also play an
important role in turbomachinery, such as centrifugal compressors or gas turbines. On one hand they
improve the overall efficiency and on the other hand they increase the pressure ratio. However, the
design of diffusers in turbomachinery is still challenging. The present work shows the influence of
each diffuser design parameter on the operating behaviour. Furthermore, a numerically optimised
diffuser geometry (generated by using the adjoint method) is simplified by the extraction of key
features and numerically investigated. The Reynolds-Average-Navier-Stoke approach, as well as an
Ω -RSM turbulence model, were used and was executed on an in-house coupled pressure based
solver.
It was shown that the choice of the essential diffuser design parameters represents a trade-off
between operating range and pressure/efficiency increase at design conditions. In addition to the
mathematical dependencies of the diffuser channel parameters (opening angle, diffuser length and
area ratio), other interrelationships have been shown. Especially, the diffuser inlet radius, the inlet
width, the angle of attack as well as the number of diffuser blades are mathematically dependent on
each other and should always be balanced. In addition, it was shown that the theory of straight
channel diffusers cannot be applied directly to turbomachinery and may only be used for a first
estimation.
Furthermore, it was shown that the applied simplifications of the numerically optimised wedge
diffuser achieve on the one hand higher pressure ratios and efficiencies but on the other hand lead to
an unstable behaviour near the surge condition. The conclusion is therefore, that a 3-dimensional
modification of the guide vanes is necessary, despite the remarkable increase in efficiency and
pressure through the simplification (V2) (almost 1.5 % higher for desing and near choke conditions
compared to the used testcase) and the strong correlation with the behaviour of the numerically
optimised geometry.