Verbesserung der Druckumsteuerung von Außenzahnradpumpen mit Hilfe der numerischen Strömungsberechnung (CFD)
Final Report Abstract
Die Geräuschemission von Außenzahnradpumpen beruht im Wesentlichen auf den Kraftwechselvorgängen innerhalb der Pumpe und den daraus resultierenden Schwingungen der Zahnräder. Die dynamischen Belastungen der Zahnräder werden durch die Lager auf das Pumpengehäuse übertragen und sind Ursache für Schwingungen und für das abgestrahlte Geräusch. Mit dem Ziel der Reduktion der Geräuschemission sowie der Saug- und Hochdruckpulsation bei gleichzeitiger Wirkungsgradsteigerung wurden Lösungsansätze für die Druckumsteuerung von Außenzahnradpumpen erarbeitet, wobei die Weiterentwicklung der Pumpen ausschließlich deren Druckumsteuergeometrie betrifft. An den Ritzeln wurden keine Eingriffe vorgenommen. Als Entwicklungswerkzeug kam die numerische Strömungsberechnung zum Einsatz. Schwerpunkt der Modellbildung und Simulation waren die Berechnung des Umsteuerbereiches der Pumpen und darauf aufbauend das Aufzeigen von Einsatzgrenzen und Optimierungspotenzial. Die Verifikation der Simulationsergebnisse erfolgte in einer Schallmesskabine nach ISO 3745. Neben der Bestimmung des abgestrahlten Schallleistungspegels erfolgten Pulsationsmessungen. Mit einem CGS –Messsystem (Concentration Gas) wurde der Anteil freier Luft in der Saugleitung experimentell bestimmt und mit den Werten der numerischen Strömungssimulation verglichen. Aus den Ergebnissen ist die Abnahme des volumetrischen Luftanteils αU bei Erhöhung des Saugdruckes pS zu erkennen. Eine signifikante Pumpendrehzahlabhängigkeit des volumetrischen, freien Luftanteils wurde nicht festgestellt. Ausgehend von einer konventionellen Druckumsteuergeometrie mit hydraulischer Kurzschlussphase erfolgte in dem ersten Schritt die Modifikation der Lage und Anordnung der Steuerkanten. Die geometrischen Optimierung der Umsteuergeometrie führte zu deutlich reduzierten Saug- und Hochdruckpulsationen und einem verbesserten volumetrischen Wirkungsgrad. Eine Minderung der Schallleistung bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades wurde durch die alleinige Modifizierung der Steuerkanten nicht erreicht. Im zweiten Schritt wurden alternative Druckumsteuerkonzepte analysiert. Mit einem Dekompressionsvolumen konnte die Saugdruckamplitude um eine Größenordnung reduziert werden. Jedoch stieg die Geräuschabstrahlung infolge erhöhter Druckänderungsgeschwindigkeiten. Potenzial für weitere Forschungsarbeiten besteht darin, den für die Geräuschanregung maßgeblichen Druckabbau im Zahnzwischenraum durch die Veränderung der Form und Lage der Strömungsbrücken und Steuerkantengeometrien zu reduzieren. Mit der Druckentlastung in den Druckaufbaubereich über ein Kanalsystem konnte die Saug- und Hochdruckpulsation ebenfalls deutlich verringert werden. In Abhängigkeit der Lage und Form der Kanalöffnungen in den Druckumsteuer- und Druckaufbaubereich sowie der Gestaltung der Umsteuernuten wurde eine Reduktion der Geräuschabstrahlung gegenüber dem Niveau der Ausgangsvariante um bis zu 7 db(A) erreicht. Es wurden Ansätze aufgezeigt, das Geräusch- und Pulsationsverhalten von evolventenverzahnten Außenzahnradpumpen bestehender Umsteuergeometrien heutiger Konstruktionen zu verbessern. Dabei erscheint die Ergänzung der konventionellen Druckumsteuergeometrie durch den Einsatz eines Ölvolumens als Umsteuerkapazität bei der Entwicklung Geräusch mindernder Maßnahmen von Außenzahnradpumpen als vielversprechend. In weiterführenden Arbeiten steht deshalb die Weiterentwicklung der vorgestellten Lösungsansätze im Vordergrund. Da bis heute keine allgemeingültigen Auslegungsrichtlinien für die Entlastungsnuten veröffentlicht sind, besteht zudem das Ziel, die abgeleiteten Maßnahmen verallgemeinerungsfähig auf verschiedene Pumpenbaugrößen zu übertragen. Für den industriellen Einsatz müssen aufgrund beengter Platzverhältnisse im Bereich der Druckumsteuerung und der sehr kleinen zulässigen Toleranzen der Umsteuergeometrie wirtschaftliche Fertigungsstrategien erarbeitet werden. Zu den besonderen Herausforderungen des neuen Druckumsteuerkonzepts zählt die Untersuchung des Betriebsverhaltens über einen großen Druck- und Drehzahlbereich. Verschleißerscheinungen sind anhand von Dauerversuchen und Simulationen zu untersuchen. Mithilfe von numerischen Strömungssimulationen lassen sich die dominanten Kavitationsmechanismen abbilden und Voraussagen zum Schädigungsverhalten machen. Die fluidmechanischen Prozesse führen in den Pumpen zu strukturmechanischen Anregungen bzw. strukturmechanische Anregungen resultieren aus Wechselwirkungen mit der hydraulischen Anlage. Diese beeinflussen die strömungsmechanischen Vorgänge. Die ganzheitliche Analyse der Schallübertragung hydraulischer Komponenten und Anlagen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeitsschall, Körperschall und Luftschall ist bisher für die Anwendung in der Fluidtechnik nicht geeignet. Weitere Arbeiten sollen zu einem Fluid – Struktur gekoppelten Modellsystem führen, um die komplexen Zusammenhänge zwischen Fluid- und Strukturmechanik abzubilden.
Publications
- CFD - Simulation of the Reversing Process in Hydrostatic Pumps, ANSYS Conference & 26. CADFEM User´s Meeting, Darmstadt, 2008, Conference Proceedings
W. Wustmann, S. Helduser
- Experimentelle und numerische Untersuchung der Strömungsvorgänge in hydrostatischen Verdrängereinheiten am Beispiel von Außenzahnrad- und Axialkolbenpumpe, Dissertation, TU Dresden, 2009
W. Wustmann
- Analysis and optimisation of the pressure reversing process of external gear pumps, Fluid Power & Motion Control Symposium FPMC 2010, Bath, 15-17 September 2010, Conference Proceedings
M. Petzold, W. Wustmann, S. Helduser, J Weber
