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O+P Fluidtechnik 9/2019

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FORSCHUNGSFONDS

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK SIMULATIONSGESTÜTZTE THERMISCHE ANALYSE DER SPALTSTRÖMUNGEN IN EINER AXIALKOLBENPUMPE ZUR VERBESSERUNG IHRES SCHMIER- UND LECKAGEVERHALTENS Ahmed El Shorbagy, M.Sc., Institut für Mechatronischen Maschinenbau der TU Dresden, Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), IGF-Nr. 18975 BR/1 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ZIELSETZUNG Ziel des Forschungsprojektes ist die experimentelle und numerische Untersuchung des Spalts zwischen Zylindertrommel und Steuerspiegel. Da derzeit der Industrie dazu kein geeignetes Spalt-Berechnungswerkzeug zur Verfügung steht, soll im Projekt ein auf 2-Wege-Fluid-Struktur-Interaktion basierender Simulationsansatz entwickelt werden, der in der Lage ist, die im Spalt auftretenden thermischen sowie strömungstechnischen Vorgänge zu beschreiben. Der Berechnungsansatz soll in der Lage sein, die druck- und temperaturabhängigen Verformungen zu berücksichtigen. Dabei sollen aufgrund der Einschränkungen der heutigen CFD-Software nur ausgewählte Betriebspunkte ohne Mischreibung betrachtet werden. Der entwickelte Modellansatz wird durch Messungen der Spalthöhen und -temperaturen validiert. Anschließend wird 06 Simulation des Verlaufs der Spalthöhen bei einer Drehzahländerung von 1 000 auf 750 min -1 er genutzt, um bezüglich erhöhter Reibung und/oder Leckage sowie ggf. Spaltkavitation kritische Betriebspunkte zu identifizieren und Parameter zu lokalisieren. Darauf aufbauend sollen geeignete konstruktive Maßnahmen abgeleitet werden, um das Betriebsverhalten der tribologischen Kontaktpaarung zu verbessern. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Durch die Auswertung der experimentellen Untersuchungen war es möglich, ein vertieftes Verständnis der thermischen Wechselwirkungen im Spalt zwischen Zylindertrommel und Steuerspiegel zu entwickeln. Bei den stationären Betriebspunkten kann die Simulation die Spalthöhen- und Temperaturverteilung qualitativ gut vorhersagen. Es wird erwartet, dass die Abweichung zwischen Simulation und Messung durch die Berücksichtigung der Festkörperdeformation noch kleiner wird. Zurzeit wird in Zusammenarbeit mit der Firma SIMERICS GmbH daran gearbeitet, diese im Modell zu integrieren. Die Komplexität des Modells wird durch die Berücksichtigung des Abriebs, die Anpassung der nominalen Geometrien und die Verfeinerung der Randbedingungen zwar steigen. Es wird aber erwartet, dass die Simulationsergebnisse durch diese Maßnahmen den Messungen erheblich näher kommen. Die Simulation dynamischer Betriebspunkte zeigt, dass diese in der Lage ist, die Drehzahl, Druckund Schwenkwinkeländerungen abzubilden. Um die hohen Rechenzeiten hierfür zu verkürzen, werden zurzeit Studien durchgeführt, um passende Zeitschrittweiten für jeden Änderungsvorgang und geeignete Initialisierungs strategien zu finden. 50 O+P Fluidtechnik 9/2019

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK BETRIEBSBEREICHSERWEITERUNG HYDROSTATISCHER KOMPONENTEN FÜR DEN EINSATZ MIT WASSER- HALTIGEN DRUCKFLÜSSIGKEITEN Atena Moosavi, M.Sc., Institut für Mechatronischen Maschinenbau der TU Dresden, Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), IGF-Nr. 18491 BR/1 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 bisher eine systematische Aufarbeitung 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 zu Beginn 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 erfolgte 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 validiert. Entsprechende Erosionsversuche wurden mit 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 Erosionsproben 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. Die Kavitations- und Erosionssimulationen wurden für die Pumpengeometriewiederholt und ebenfalls validiert. Mit Hilfe der entwickelten und beispielhaft angewandten Methoden ist es möglich, Kavitationserosion simulativ vorherzusagen und Maßnahmen zur Erweiterung des Betriebsbereichs von HFC- Komponenten abzuleiten. 07 Vergleich der Kavitationsintensität in der Pumpengeometrie zwischen Experiment und Simulation (LES, Zwart-Gerber Kavitationsmodell) O+P Fluidtechnik 9/2019 51

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