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O+P Fluidtechnik 9/2018

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FORSCHUNGSFONDS

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK BETRIEBSBEREICHSERWEITERUNG HYDROSTATISCHER KOMPONENTEN FÜR DEN EINSATZ MIT WASSER­ HALTIGEN DRUCKFLÜSSIGKEITEN Dr.-Ing. Lutz Müller (für 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-Produkte nutzbar zu machen. Durch die Auswertung der räumlichen und zeitlichen Änderung der Strömungsgrößen soll der Erosionsverschleiß treffsicherer als bisher quantifiziert werden. Damit können in Zukunft vorhandene Optimierungspotenziale und Einschränkungen der Komponenten wesentlich genauer ermittelt werden. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK: Schwerentflammbare HF-Flüssigkeiten (in Deutschland v.a. die HFC-Flüssigkeiten) werden in Industriezweigen, welche ein erhöhtes Zündrisiko aufweisen, gesetzlich gefordert. 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 besonders kritisch. Für eine wirtschaftliche Entwicklung von HFC-Komponenten fehlen jedoch bisher eine systematische Auf- Beispiel der Kavitationserosionsschäden an der Erosionsprobe des Pumpenmodells nach abgeschlossenem Erosionsversuch mit HLP 05 Beispiel der Kavitationserosionsschäden an der Erosionsprobe des Pumpenmodells nach abgeschlossenem Erosionsversuch mit HLP Montierte Erosionsprobe des ebenen Pumpenmodells Kavitationserosion auf den Flächen A 1 und A 2 nach Erosionsversuch arbeitung der HFC-spezifischen Kavitationseigenschaften sowie eine effiziente Möglichkeit der simulationsgestützten Vorhersage der Kavitationserosion. An diese Defizite knüpft das Vorhaben der Betriebsbereichserweiterung von HFC-Komponenten an. Um eine simulationsgestützte Abbildung der Strömungsvorgänge zu ermöglichen, erfolgte in AP 1 zunächst die Stoffwertbestimmung der kavitationsrelevanten Stoffparameter. Die experimentellen 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. Im darauffolgenden Arbeitspunkt erfolgt die Analyse des Kavitationsverhaltens an einer ventiltypischen Geometrie zur Validierung des erstellten Fluid- und Kavitationsmodells. Alle im Vorhaben geplanten Experimente wurden zu Vergleichszwecken mit HFC und Mineralöl durchgeführt. Die anschließende Studie zur Eignung und Validierung verschiedener Simulationsmodellansätze zeigt, dass für die korrekte Abbildung der kavitationsrelevanten Druckminima die Berechnung der großskaligen Wirbel mittels LES-Simulation notwendig ist. Mit der experimentellen Kavitationserosionsanalyse wurde ein simulationsgestütztes Erosionsmodell entwickelt und weitgehend validiert. Entsprechende Erosionsversuche wurden mit dem HLP und HFC an zwei hydrauliktypischen Geometrien abgeschlossen. Dabei wurde neben dem Schädigungsbereich und dem Volumenabtrag der jeweiligen Erosionsversuche auch der Betriebspunkt einsetzender Kavitationserosion bestimmt. Die Analyse der Ero sionsproben erfolgte dabei unter anderem mittels 3D-Profilometer. Die Erosionsuntersuchungen mit beiden Flüssigkeiten und beiden hydrauliktypischen Geometrien sind abgeschlossen. An der Ventilgeometrie wurden die Strömungs- und Kavitationsmodelle verifiziert und auch der Erosionsindex 3 nach Nohmi ermittelt, der das Erosionsverhalten genau abbildet. Als nächster Schritt werden die Kavitations- und Erosionssimulationen für die Pumpengeometrie wiederholt und auch an dieser validiert. Nach Abschluss dieser Arbeiten erfolgt mit dieser Arbeitsmethodik die simulationsgestützte Ableitung von Maßnahmen zur Betriebsbereichserweiterung von HFC-Komponenten. 46 O+P Fluidtechnik 9/2018

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK WASSEREINZUG ÜBER STANGENDICHTUNGEN M. Sc. Tobias Mielke, Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme , ifas, der RWTH Aachen Förderung: Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA, FKM-Nr. 703360 ZIELSETZUNG: Das Ziel des Projekts war das Aufzeigen aller Mechanismen, die beim Wassereinzug über Lineardichtungen wirksam sind. Diese Untersuchungen helfen, die Wirkmechanismen beim Wassereinzug zu verstehen und die Einzugsmenge durch Messung und Modellbildung zu quantifizieren, um daraus das Verhalten verschiedener Dichtungen hinsichtlich des Wassereinzugs vorhersagen und beurteilen zu können. Die Arbeit unterteilte sich in die Untersuchung der einzelnen Teilsysteme Fluid, Phasengrenze Wasser/Fluid und Dichtkontakt, sowie der Untersuchung des Gesamtsystems. Aufbauend auf diesen Grundlagen ist es möglich, eine genaue Beschreibung der möglichen Vorgänge vorzunehmen. Durch einen Prüfstandsversuch wurde die entwickelte Theorie überprüft, verifiziert und erweitert. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Wasser ist eine der Hauptursachen für Schäden und eine reduzierte Betriebsdauer in hydraulischen Anlagen. Neben Schäden am Druckmedium selbst, bspw. durch Oxidation und Hydrolyse, greift Wasser polymere Dichtwerkstoffe an und führt zu Quellung und Zersetzung. Des Weiteren kann es an metallischen Oberflächen zu Rostbildung kommen. Aufgrund dieser vielfältigen Gefährdungen hydraulischer Systeme durch Wasser sollten diese trocken gehalten werden. Dies kann durch primäre oder sekundäre Maßnahmen geschehen, wobei sekundäre nur geringe Abscheideraten aufweisen. Primäre Maßnahmen, die den Zutritt des Wassers in das System 06 verhindern, sollten daher forciert werden. Neben dem Tank sind dynamische Dichtstellen als Haupteintrittsstelle zu nennen. In diesem Projekt sind die Stangendichtung hinsichtlich des Wassereintrags untersucht worden. Dazu wurden im ersten Teil des Projekts die relevanten Teilsysteme untersucht. Das erste Teilsystem ist das Hydrauliköl, für welches Sättigungskurven und Viskositätsänderungen bestimmt wurden. Dazu wurden notwendige Versuchseinrichtungen entwickelt, gefertigt, in Betrieb genommen und die Messungen durchgeführt. Das zweite Teilsystem das beim Wassereinzug eine Rolle spielt, ist der Phasenübergang zwischen einer feuchten Umgebung und einem dünnen Ölfilm, wie er beim Ausfahren auf der Kolbenstange verbleibt. Hierfür wurde der Phasenübergang in die beteiligten physikalischen Phänomene unterteilt und gelöst. Es zeigte sich, dass auf technischen Zeitskalen der Ölfilm bei Kontakt mit einer humiden Umgebung sofort gesättigt ist. Das dritte Teilsystem ist der Dichtkontakt. Hier wurde der Feuchteübergang über den Kontakt mit Hilfe eines Prüfstands untersucht. Die Konstruktion wurde eng mit dem Ausschuss abgestimmt und die wertvollen Hinweise aus dem Kreise der Industrievertreter sind implementiert worden. Die Messergebnisse bestätigen ein zuvor entwickeltes Modell des Feuchteübergangs. Im zweiten Arbeitspaket wurde der Einzug freien Wassers untersucht. Der Prüfstand wurde dafür umgerüstet. Es wurden insgesamt fünf verschiedene Dichtungen untersucht. Den Haupteinfluss auf den Einzug hat der Druck. Je höher dieser ist, desto weniger Wasser gelangt ins System. Die Verwendung von Abstreifern reduziert effektiv den Eintrag von Wasser. Die gewonnen Ergebnisse helfen die relevanten Mechanismen, die am Wassereinzug beteiligt sind, zu quantifizieren. Zukünftige Dichtungsentwicklungen können darauf aufbauend den Zutritt von Wasser wirksam verhindern, wodurch die Systemsicherheit und Standzeit signifikant gesteigert werden kann. Die Möglichkeit des Ergebnistransfers zu den Firmen, die den Forschungsfonds für eigenfinanzierte Projekte stützen, wird abschließend durch ausführliche Dokumentationen sichergestellt. Überflutungsvorrichtung für die Dichtungen, links Schema, rechts Ausführung O+P Fluidtechnik 9/2018 47

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