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O+P Fluidtechnik 7-8/2017

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VDMA

VDMA BETRIEBSBEREICHSERWEITERUNG HYDROSTATISCHER KOMPONENTEN FÜR DEN EINSATZ MIT WASSER- HALTIGEN DRUCKFLÜSSIGKEITEN Dipl.-Ing. Dominik Krahl, Institut für Fluidtechnik (IFD) der TU Dresden Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi); Nr. 18491 BR/1 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Zielsetzung: Im Fokus des Forschungsprojektes stehen zwei zentrale Ziele: Erstens sind die Ursachen und Wirkungen des durch Kavitation bedingten Erosionsverschleißes in HFC-Komponenten experimentell aufzuarbeiten und zu bewerten. Zweitens sind den Komponentenentwicklern ein CFD-gestütztes Simulationswerkzeug sowie konstruktive Lösungsansätze zur Verbesserung der strömungskritischen Bereiche ihrer HFC-Komponenten nutzbar zu machen. Zusammenfassung und Ausblick: Schwerentflammbare HF-Flüssigkeiten werden in einigen Industriezweigen, die ein erhöhtes Zündrisiko aufweisen, gesetzlich gefordert. Dabei hat sich in Deutschland die Untergruppe der HFC- Flüssigkeiten etabliert. Aufgrund einiger fluidspezifischer Eigenschaften wird jedoch der Betriebsbereich von HFC-Komponenten im Vergleich zu herkömmlichen Mineralöl-Komponenten stark eingegrenzt. Die Kavitationsfreudigkeit von HFC-Flüssigkeiten und die damit verbundene Kavitationserosion bei Überschreiten der zulässigen Betriebsgrenzen sind dabei als besonders kritisch zu bewerten. Für eine wirtschaftliche Entwicklung von HFC-Komponenten fehlen jedoch bisher eine systematische Aufarbeitung der HFCspezifischen Kavitationseigenschaften sowie eine effiziente Möglichkeit der simulationsgestützten Vorhersage der Kavita- 05 tionserosion. An diese Defizite knüpft das Vorhaben der Betriebsbereichserweiterung von HFC-Komponenten an. Um eine simulationsgestützte Abbildung der Strömungsvorgänge zu ermöglichen, erfolgte zunächst die Stoffwertbestimmung der dafür relevanten Stoffparameter. Dabei steht die Analyse des Kavitationsverhaltens der HFC-Flüssigkeit im Fokus. Erste experimentelle Untersuchungen zeigen ein im Vergleich zu herkömmlichem Mineralöl deutlich geringeres Luftlösevermögen von HFC. Das experimentell erfasste zeitliche Verhalten der Gasausscheidung wird zur Parametrierung des Gaskavitationsmodells genutzt. Die experimentelle Kavitationserosionsanalyse bildet die Grundlage für eine spätere Entwicklung eines simulationsgestützten Erosionsmodells. Entsprechende Erosionsversuche wurden mit dem Referenzmedium HLP an zwei hydrauliktypischen Geometrien abgeschlossen (Bild 5). Dabei wurde neben dem Schädigungsbereich und dem Volumenabtrag der jeweiligen Erosionsversuche auch der Betriebspunkt einsetzender Kavitationserosion bestimmt. Die Analyse der Erosionsproben erfolgte dabei unter anderem mittels 3D- Profilometer. Aktuell befindet sich der Prüfstand zur Untersuchung der hydrauliktypischen Komponenten im Umbau, um eine HFC-Eignung zu gewährleisten. Nach Abschluss der Umbaumaßnahmen werden die Versuche analog zum Referenzmedium HLP mit HFC durchgeführt. Parallel dazu erfolgt die Entwicklung der Kavitations- und Kavitationserosionsmodelle. Diese werden im Anschluss zur simulationsgestützten Ableitung von Maßnahmen zur Betriebsbereichserweiterung von HFC-Komponenten herangezogen. Beispiel der der Kavitationserosionsschäden an an der der Erosionsprobe des des Pumpenmodells nach nach abgeschlossenem Erosionsversuch mit mit HLP HLP Beispiel der Kavitationserosionsschäden an der Erosionsprobe des Pumpenmodells nach abgeschlossenem Erosionsversuch mit HLP Montierte Erosionsprobe des des ebenen ebenen Pumpenmodells Kavitationserosion auf auf den den Flächen Flächen A 1 und A 1 und A 2 A 2 nach nach Erosionsversuch 50 O+P Fluidtechnik 7-8/2017

VDMA ANALYTISCHE STRÖMUNGSKRAFT- BERECHNUNG VON LÄNGS- SCHIEBERVENTILEN Ing. Patrik Bordovsky, Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi); Nr. 18569 N/1 Zielsetzung: Die durch das strömende Fluid verursachte Strömungskraft soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersucht werden. Das Ziel ist es, die Strömungskraft in Abhängigkeit der verschiedenen Betriebsparameter sowie geometrischen Gegebenheiten analytisch beschreiben zu können. Um die gewonnenen Erkenntnisse in der Praxis einsetzen zu können, werden die mathematischen Modelle in MS-Office umgesetzt, sodass zur schnellen Auslegung des Aktors ein einfach zu verwendendes Tool entsteht. 06 Geometrien der untersuchten Schieber SmSK Geometrien der untersuchten Schieber Form der Steuerkante SmS SmF SmR Form der Steuerkerben SmRK SmAK SmTK Zusammenfassung und Ausblick: Im vorliegenden Bericht werden die Motivation, der Lösungsweg und der aktuelle Stand der Arbeiten zur Untersuchung der Strömungskräfte von Längsschieberventilen dargelegt. Die folgenden Projektergebnisse wurden bereits erzielt: Ein analytisches Modell zur Strömungskraftberechnung wurde hergeleitet und anhand von Messdaten für einfache Ventilgeometrien validiert. Es wurde gezeigt, dass die Strömungskraftberechnung mit Variablen der Strömungswinkel und des Durchflusskoeffizienten zuverlässig berechnet werden kann. Die für die Strömungskraftberechnung notwendigen Strömungswinkel und Durchflusskoeffizienten wurden für verschiedene Schiebergeometrien (Bild 6) und jeweils beide Strömungsrichtungen ermittelt. Dabei wurden physikalische und geometrische Parameter mit der Methode „Design and Analysis of Simulation Experiments“ variiert und deren Einfluss auf die Strömungswinkel und die Durchflusskoeffizienten bestimmt. Es wurden Strömungskräfte von Industrieventilen gemessen und diese mit den berechneten verglichen. Aus dem Vergleich für das Ventil V1 der Firma H1 ergab sich, dass das analytische Modell der Strömungskraft für die untersuchten Industrieventile eingeschränkt verwendet werden kann. Die Abweichungen sind vor allem auf die Komplexität der Schiebergeometrie und die Ungültigkeit der Annahmen für die Strömungskraftberechnung zurückzuführen. Eine Untersuchung der Strömungskraftberechnung realer Ventilgeometrien wäre daher notwendig, da die Steuerkante oft aus mehreren einfachen Geometrien besteht. Es wurde ein Excel-Werkzeug entwickelt, um die Strömungskraft effizient berechnen zu können. Dabei wurden drei Eingabe-Möglichkeiten implementiert. Das Excel-Werkzeug eignet sich zum Beispiel für eine Vorauslegung von Ventilen. O+P Fluidtechnik 7-8/2017 51

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