Konstruieren mit Flüssigkeiten

Iterative Auslegung neuer Maschinen und Systemoptimierung, Hardware-in-the-Loop-Systeme, multiphysikalische Kopplung von Modellen bei transienten Vorgängen – bei allen diesen Aufgaben ist der Aufwand trotz der heutigen Rechenleistung ein begrenzender Faktor, so insbesondere auch bei Spaltströmungen. Daher bleiben heute sowohl in der ingenieurtechnischen Forschung, als auch in der industriellen Anwendung effiziente Berechnungsmethoden und Modelle gefragt. Dieser Notwendigkeit folgt die vereinheitlichte Spaltströmungstheorie des Clearance Averaged Pressure Model (CAPM) für Gleitlager und Dichtspalte, welche an unserem Institut entwickelt wurde. Verifiziert und validiert wird das Berechnungswerkzeug an unseren Prüfständen, die einen zuverlässigen Vergleich mit der Wirklichkeit ermöglichen.

Clearance Averaged Pressure Model

Das Clearance Averaged Pressure Model (CAPM) ist ein effizientes Berechnungswerkzeug für inkompressibel durchströmte Radialspalte. Neben Gleitlagern und berührungslosen Dichtspalten können mit dem CAPM auch moderne Maschinenelemente wie fördermediengeschmierte Gleitlager zuverlässig berechnet und ausgelegt werden. Die Ergebnisse des CAPM werden genutzt, um rotordynamische Koeffizienten, rotordynamisch instabile Betriebsbereiche, Leckageströme oder Widerstandsmomente zu bestimmen.

Durch Einbezug von Ansatzfunktionen für Geschwindigkeitsprofile sowie von einem Wandschubspannungsmodell können Kontinuitätsgleichung in Verbindung mit der vollständigen, nichtlinearen Impulsgleichung auf der zweidimensionalen Spaltabwicklung effizient gelöst werden. Dies erlaubt die Berechnung von laminarer und turbulenter Strömung auch ohne die Einschränkung weiterer Parameter wie Exzentrizität oder axialem Durchfluss/Druckdifferenz. Die Vorhersagezuverlässigkeit liegt weitgehend im Bereich von CFD-Simulationen, der Berechnungsaufwand ist jedoch um Größenordnungen geringer.

Höher auflösende Simulationsverfahren

Um einzelne Strömungsphänomene gezielt untersuchen und der Modellierung zugänglich machen zu können, müssen diese lokal aufgelöst werden. Hierzu setzen wir gängige CFD-Software (OpenFOAM, ANSYS) ein. Eine weitere numerische Methode stellen außerdem Randelementverfahren (panel methods) dar. Diese können die Strömung im Wesentlichen ebenso dreidimensional auflösen und sind deutlich effizienter.

Zur experimentellen Untersuchung von Spaltströmungen sowie zur Verifizierung und Validierung der physikalisch basierten Modelle stehen am Institut verschiedenen Prüfstande zur Verfügung. Mittels umfangreicher Messtechnik (z. B. Hall- und Wirbelstromsensoren) werden die relevanten Messgrößen aufgezeichnet und mithilfe eines am FST entstehenden digitalen Laborbuches nachvollziehbar archiviert. Alle Messergebnisse werden nach aktuellem Stand der Technik ausgewertet sowie aufwendigen Analysen im Hinblick auf die anfallenden Messunsicherheiten unterzogen.

Rotordynamik- und Spaltströmungsprüfstände

Zur statischen und dynamischen Identifikation von Spaltströmungen werden am Institut zwei magnetgelagerte Prüfstände betrieben. Diese Prüfstände ermöglichen es sowohl laminare als auch turbulente Strömungen in engen Ringspalten auf ihre statischen als auch dynamischen Eigenschaften und Auswirkungen auf die Rotordynamik zu untersuchen. Für variable Spaltgeometrie und Betriebsbedingungen können rotordynamische Koeffizienten experimentell bestimmt werden.

Gleitlängentribometer

Das Darmstädter Gleitlängentribometer erlaubt die messtechnische Erfassung von Wandgleiten bei hydrodynamischer Schmierung. Mithilfe des integralen Messverfahrens – erfasst wird das Reibmoment des Platte-Platte-Tribometers sowie die Schmierfilmhöhe bei konstanter Winkelgeschwindigkeit – kann Wandgleiten für typische Materialpaarungen der Hydraulik und Dichtungstechnik untersucht werden

Ausgangspunkt unserer Komponentenentwicklung sind physikalische Modelle. Diese folgen aus physikalischen Axiomen und dienen als Grundlage zur Schwingungsanalyse. Die Modelle werden in späteren Entwicklungsschritten validiert und zur Optimierung der Komponenten verwendet.

Bei mobilen Systemen ist die Reduktion von Bauraum und Gewicht von schwingungstechnischen Komponenten gewünscht. Materialien wie Schäume oder Adsorbentien eignen sich durch ihre physikalischen Eigenschaften dafür. Daher werden am Institut auch Modelle zur Optimierung von Materialeigenschaften, wie beispielsweise der Porengrößen bei Schäumen entwickelt.

In unsere Produktentwicklung achten wir darauf frühzeitig in den Versuch überzugehen. Damit die Randbedingungen an den Systemgrenzen stimmen setzen wir auf Hardware in the Loop . Nach Modellentwicklung wird ein Prototyp gebaut, mit welchem die Funktionsweise validiert und erste Problemstellen aufgezeigt werden. Nachdem die Funktionsweise validiert ist, werden anhand des Modells Potentialabschätzungen durchgeführt. Bei ausreichendem Benefit wird im nächsten Schritt das Produkt mit optimierten Parametern konstruiert und gefertigt.

Um frühzeitig Prototypen in einer realistischen Versuchsumgebung zu testen, werden Hardware in the Loop Tests vorgenommen. Hierbei wird nur die Komponente als Prototyp benötigt und das übergeordnete System wird in Echtzeit simuliert.

Unbekannte Modellparameter können mit Hilfe von Versuchen bestimmt werden. Hierzu wird ein Prototyp in einer Versuchsreihe bei verschiedenen Frequenzen an unserem Hydropulser vermessen.

Die Verfügbarkeit von Turbomaschinen wie Kreiselpumpen wird oft durch ihr schwingungsdynamisches Verhalten begrenzt. Infolge einer dynamischen Anregung durch Betriebskräfte oder Unwucht kommt es zu einer Antwort des Gesamtsystems, welche maßgeblich durch die induzierten Kräfte in engen Ringspalten, wie sie in Gleitlagern vorliegen, beeinflusst wird. In fördermediengeschmierten Gleitlagern von Kreiselpumpen werden diese induzierten Kräfte nicht nur durch den hydrodynamischen Effekt, sondern auch durch eine axiale Durchströmung wesentlich beeinflusst. Zudem kann es infolge von größeren Lagerspielen und deutlich geringeren Viskositäten der vorliegenden Schmiermedien zu turbulenten Strömungszuständen kommen. Diese im Spalt vorliegende laminare oder turbulente Strömung definiert sowohl die Steifigkeit der Lagerung als auch das Abklingverhalten einer auftretenden Schwingung. Erfolgt die Auslegung aufgrund unzureichender Kenntnis der jeweiligen Effekte, kann es im schlimmsten Fall zur Resonanz und im Folgenden zum Totalausfall der Maschine und zu wartungsbedingten und kostspieligen Ausfallzeiten der gesamten industriellen Anlage kommen.

Ziel des Projekts ist die Erarbeitung einer umfangreichen Datenbasis rotordynamischer Koeffizienten und Identifizierung instabiler Betriebszustände sowie die experimentelle Validierung verbesserter numerischer Berechnungsmodelle für dynamische Betriebszustände auf Grundlage des Clearance Averaged Pressure Model (CAPM) für fördermediengeschmierte Gleitlager in Pumpen.

Für die Flexibilisierung des Betriebs von Dampfkraftwerken aufgrund nachhaltiger Energieerzeugung ist eine Flexibilisierung aller Teilsysteme des Kraftwerkes erforderlich. Dies betrifft v. a. den Turbinenstrang, aber ebenso sämtliche Peripheriesysteme des Kraftwerks wie hydraulische Kreisläufe (Wasser-Dampf-Kreislauf, Kühlkreislauf). Notwendiges Ziel der Entwicklung stark instationär betriebener Pumpensysteme für flexible Kraftwerke ist es daher, Anforderungen an Dampfkraftwerks-Kreislaufsysteme hinsichtlich der Erhöhung der Flexibilität ihres Betriebs abzuleiten. Diese Anforderungen sind durch die Entwicklung entsprechender hochflexibel betreibbarer hydraulischer Systeme und ihrer Komponenten umzusetzen.

Alle Fluidenergiemaschinen der oben genannten Kraftwerksysteme hängen unmittelbar von der Strömung in Gleitlager oder Dichtspalt ab, da deren Auswirkungen auf die Rotordynamik Last und Stabilität der Maschine begrenzen. Das Teilprojekt „Rotordynamische Koeffizienten im instationären Pumpenbetrieb“ wird vom Institut für Fluidsystemtechnik bearbeitet.

Das Ziel unseres Teilprojekts im Verbundvorhabens ist die Erarbeitung eines verbesserten Berechnungsverfahrens für oberflächenprofilierte Spaltdichtungen sowie die Erweiterung der im Vorgängerprojekt erarbeiteten experimentellen Datenbasis rotordynamischer Koeffizienten in Bezug auf die besonderen Gegebenheiten von Axialschubentlastungseinrichtungen in Pumpen.

Transferprojekt T12