O+P Fluidtechnik 9/2018

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
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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.
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