Experimentelle und numerische Untersuchung der Strömungsvorgänge in hydrostatischen Verdrängereinheiten am Beispiel von Außenzahnrad- und Axialkolbenpumpe

Research output: Types of ThesisDoctoral thesis

Contributors

  • Walther Wustmann - (Author)

Abstract

Die Kenntnis des örtlichen und zeitlichen Verlaufs der Fluidströmung in den Pumpen ist Voraussetzung für deren Weiterentwicklung, um den übergeordneten Entwicklungszielen nach geräusch- und pulsationsarmen Pumpen mit hohem Wirkungsgrad und großer Lebensdauer näher zu kommen. Der bis heute überwiegend gewählte Ansatz zur Analyse hydrostatischer Verdrängereinheiten - die konzentrierte Parametersimulation - kann keine Details zu Strömungsverläufen und Druckverlusten liefern und, wenn Kavitation einen nicht zu vernachlässigenden Beitrag zum Gesamtverhalten darstellt, größere Berechnungsfehler zur Folge haben. Die experimentelle Erfassung der Feldgrößen im Inneren der Pumpen sowie die Visualisierung sind sehr aufwändig und bleiben auf Einzelfälle beschränkt. Die Kavitationsgefährdung von Pumpenkonstruktionen kann bis heute ausschließlich auf experimentellem Weg in Form von zeitaufwändigen Lebensdauertests ermittelt werden, wobei allenfalls Vermutungen über das Strömungsverhalten innerhalb der Pumpen möglich sind. Die Limitierungen alternativer Methoden ergeben die Motivation für die numerische Strömungsberechnung (CFD) der Pumpen. Das Potenzial der vergleichsweise rechenintensiven CFD-Analyse von Pumpenströmungen ist bisher nicht systematisch untersucht worden, da hier sehr hohe Anforderungen an die CFD bestehen. Zudem liegen eine Reihe offener Fragen bei der Anwendung auf hydrostatische Verdrängereinheiten im Bereich der Ölhydraulik vor. Prinzipiell kann die CFD experimentelle Studien nicht ersetzen. Erst die Kombination beider Methoden verspricht eine prinzipielle Verbesserung der wissenschaftlichen Analyse.<br><br>rnIn dieser Arbeit wird das Potenzial der CFD-Simulation für die Analyse der Strömungsmechanik hydrostatischer Pumpen am Beispiel von Außenzahnrad- und Axialkolbenpumpe systematisch untersucht. Die Arbeit soll einen Beitrag zum verbesserten Verständnis der Strömungsvorgänge liefern und verfolgt zwei zentrale Ziele. Zunächst wird die numerische Strömungsberechnung für die Anwendung in hydrostatischen Verdrängereinheiten entwickelt, so dass sich die dominierenden physikalischen Prozesse abbilden lassen. Darauf aufbauend werden durch Ortung und Bewertung strömungskritischer Zonen konstruktive Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet, um Einfluss u. a. auf die Geräuschproblematik der Pumpen zu nehmen. Zu den zentralen Aufgaben zählen die Optimierung von Umsteuergeometrien, die Vorhersage volumetrischer Verluste, die Reduktion der Kavitationsneigung mit dem Ziel der Drehzahlerhöhung sowie die Vorhersage kavitationsbedingter Schädigungen von Pumpenbauteilen.<br><br>rnDurch experimentelle Validierungen, insbesondere Innendruck-, Pulsations- und Volumenstrommessungen sowie Visualisierungen, aber auch durch Dauerversuche, wird nachgewiesen, dass die CFD einen hohen Anwendungsnutzen bei der Weiterentwicklung von Pumpen bietet, da die vorherrschenden Strömungsmechanismen auch bei reduziertem Modellumfang berechenbar sind. Unter Berücksichtigung von Kompressibilität und Kavitation werden experimentell gut validierte Berechnungsergebnisse erzielt. Die Methode eignet sich zudem zur Vorhersage von Bauteilschädigungen als Folge energiereicher Blasenimplosionen. Der durch die CFD ermöglichte Blick in die Pumpen zur Detektierung kavitationskritischer Zonen zeigt Kavitation neben Pulsation und Druckänderungsgeschwindigkeit als weitere Ursache für die Geräuschanregung hydrostatischer Pumpen auf, deren Einfluss durch Verbesserung der Strömungsführung gemindert wird. Bei Zahnradpumpen kann mit einer asymmetrischen Druckumsteuergeometrie die hydraulische Unterversorgung im Zahneingriff reduziert und somit die Niederdruckpulsation und Geräuschemission verringert werden. Für eine Zweiflankenzahnradpumpe wird eine Druckumsteuergeometrie entwickelt, mit der sich das Geräuschniveau von Innenzahnradpumpen vergleichbarer Größe erreichen lässt. An Kolbenpumpen kommt die Berechnungsmethode zur Optimierung der Druckumsteuergeometrie im Unteren Totpunkt zum Einsatz. Durch eine veränderte Geometrie auf Basis von Steuerbohrungen lässt sich die Kavitationsanregung im Verdrängungsvolumen auch hier reduzieren.

Details

Original languageGerman
Awarding Institution
Supervisors/Advisors
  • Weber, Jürgen, Mentor
  • Helduser, Siegfried, Mentor, External person
Defense Date (Date of certificate)6 Oct 2009
Publication statusPublished - 2009
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Keywords

Keywords

  • Ölhydraulik, hydrostatische Verdrängereinheiten, Numerische Strömungsberechnung, CFD-Simulation