Theoretische und experimentelle Untersuchungen hydrodynamischer Aspekte bei integrierten mechatronischenFluidfördersystemen
Final Report Abstract
Im Laufe dieses von der DFG finanzierten Forschungsprojektes konnten durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den anderen Fachdisziplinen effizienzsteigernde Innovationspotenziale der Pumpentechnik aufgezeigt und wissenschaftlich verfolgt werden. Die Effizienz eines Fluidfördersystems kann als das Verhälmis des Nutzens des Fluidfördersystems (Erfüllung der Förderaufgabe) zum Aufwand, der zur Erfüllung der Förderaufgabe betrieben werden muss, verstanden werden. Da Aufwand immer mit Kosten verbunden ist, kommt diese Betrachtung derjenigen der Lebenszykluskosten sehr nahe. Den größten Aufwand bei der Erfüllung von Förderaufgaben stellen derzeit der hohe Energieverbrauch und der ungeplante Ausfall von Pumpen bzw. der Wartungsaufwand dar. Ein Fluidfördersystem kann demnach durch die Reduziemng des Energieverbrauchs und der Ausfallwahrscheinlichkeit der Pumpen effizienter gemacht werden. Die Dimensionierung, die Anordnung und das Zusammenspiel der Komponenten eines Fluidfördersystems wird als die effektivste Energieeinsparmaßnahme angesehen (Systemansatz). Durch die modulare Bauweise der autonomen Axialpumpe (Magnetlager, integrierter Motor) wurde eine zusätzliche Freiheit der Positioniemng innerhalb des Systems geschaffen, die künftig zur Effizienzsteigerung in Strömungsnetzwerken genutzt werden kann. Hierfür müssen allerdings noch weitere Forschungsarbeiten hinsichtlich der Reduzierung der Fluidreibungsverluste im Spaltrohr bzw. der Erhöhung der Fluidleistung durch z.B. eine serielle Anordnung von axialen Laufrädern und Verwendung eines Leitrades erfolgen. Die modulare Bauweise kann bereits dazu genutzt werden, um durch autonome Drehzahladaption des Axialmoduls die Kavitationsneigung in einer nachgeschalteten Radialpumpe zu reduzieren. Experimentelle Versuche an der Pumpeneinheit konnten die theoretischen Ansätze bestätigen. Neben der Anordnung der Komponenten birgt auch das Zusammenspiel der Komponenten eines Fluidfördersystems ein hohes Energieeinsparpotenzial. Die eigenständige Anpassung der Anlagenkomponenten auf eine neue Förderaufgabe setzt voraus, dass der Betriebspunkt jeder Pumpe bekannt ist. Um den messtechnischen Aufwand gering zu halten (im Sinne einer Effizienzsteigerung muss der Produktionsaufwand niedrig sein und die zusätzlich eingebrachten Features müssen robust sein) und somit eine industrielle Akzeptanz zu fördem, wurde eine in die Pumpe integrierte und möglichst einfache Zustandserkennung angestrebt. Dabei stellt die in die Pumpe integrierte Bestimmung des geförderten Volumenstroms die größte Herausforderung dar. Durch experimentelle und numerische Untersuchungen konnten geeignete Messstellen zur Volumenstrombestimmung identifiziert werden und Genauigkeiten von 1.5% zum Referenzwert (MID Messwert) erreicht werden. Über die Auswertung der Frequenz der Druckschwankungen am Sporn kann ebenfalls die integrierte Bestimmung der Drehzahl erfolgen. Ein weiterer Aspekt im Sinne einer Efflzienzsteigemng ist die Reduzierung des Wartungsaufwandes. Dieser kann u.a. durch unzulässigen Spaltverschleiß entstehen (der Spaltverschleiß trägt darüber hinaus auch zur Erhöhung der Energiekosten bei) oder durch unzulässige Kavitation in der Pumpe. Es wurde daher ebenfalls nach Fehlererkennungsmöglichkeiten im laufenden Pumpenbetrieb gesucht. Zur Ermittlung des Spaltmaßes wurden Kennfelder der Druckdifferenz in Abhängigkeit von Volumenstrom, Drehzahl und dem Spaltmaß an dafür sensitiven Messorten aufgezeichnet. Es wurde festgestellt, dass der Messaufwand zur Kennfelderstellung dadurch reduziert werden kann, dass die Messungen an einer Umfangsmessposition der Spirale durchgeführt werden, bei der ein vemachlässigbarer Volumenstromeinfluss auf die Druckdifferenz besteht. Auf dieser Erkennmis aufbauend können wiederum analytische Berechnungsmodelle zur Ermittlung der Druckdifferenzen im Radseitenraum und im Dichtspalt herangezogen werden, um den Messaufwand bei der Kennfelderstellung vollständig zu vermeiden. Die Überwachung der Kavitation kann mittels einer Kavitationsintensitätsmessung im laufenden Betrieb erfolgen. Die kavitationsinduzierte Körperschallleistung wird mit den Herstellerangaben verglichen, die das Schädigungspotential des akustischen Leistungswertes in Klassen bewerten. Der Betreiber kann somit feststellen, ob seine Pumpe im niedrigen, mittleren oder hohen Schädigungspotenzialbereich betrieben wird. Wenn dem Betreiber über diese Klassendefinition hinaus noch die vollständige Information über das akustische Kennfeld vorliegt, kann er vergleichen, ob die Pumpe die vom Hersteller angegebenen Kavitationseigenschaften aufweist. Dadurch können z.B. kavitationsungünstige Einbausituationen festgestellt und behoben werden.
Publications
- Sensor-Actuator-System Based on Dielectric Elastomer Actuators for Peristaltic Pumps. Actuator 2006 Conference Proceedings, 2006
Lotz, P.; Bischof, V.; Matysek, M.; Schlaak, H. F.
- Design of PM integrated motor-drive system for axial pumps, 12th European Conf on Power Electronics and Applications (EPE), 2-5 Sept. 2007, Aalborg, Denmark, CD-ROM, paper no. 383, 10 pages
Janjic, B.; Binder, A.; Bischof, V.; Ludwig, C.
- Entwurf und Bau eines magnetgelagerten integrierten Pumpenantriebs, Tagungsband der Konf. „Elektrisch-mechanische Antriebssysteme", 23.-24.9.2008, Böblingen, VDE/ETG-Fachbericht, VDE-Verlag, Offenbach
Janjic, B.; Binder, A.; Bischof, V.; Ludwig, G.
- Self-optimisation of pumping modules with hydrodynamic interaction. International Rotating Equipment Conference, Düsseldorf, 2008
Bischof, V.; Pelz, P.; Stoffel, B.
