Strömungsvor­gänge in Kolbenpumpen

Aufgabe/Zielsetzung

Aufgrund ihrer hohen Wirkungsgrade und ihrer Robustheit sind Axialkolbenpumpen in der Mobil- und Stationärhydraulik weit verbreitet. Der Fördervolumenstrom der Verdrängereinheiten wird durch das Einsetzen von Kavitation und die teilweise Befüllung der Zylinder mit Gasen bei hohen Drehzahlen begrenzt. Die schnelle Implosion der Gasblasen während der Kompressionsphase in der Hochdruckumsteuerung führt zur Kavitationserosion an den Bauteilwandungen.
Diese Effekte können in den unter Hochdruck stehenden und schnell rotierenden Maschinen messtechnisch nur schwer erfasst werden. Ein stetig wachsendes Angebot an Rechenleistung ermöglicht es, die Strömungsvorgänge innerhalb der Pumpen mithilfe der numerischen Strömungsmechanik zu simulieren, zu visualisieren und zu analysieren.
Darauf aufbauend werden konstruktive Maßnahmen abgeleitet, um die bauteilschädigenden Kavitationseffekte zu reduzieren und Kavitationserosion zu verhindern. So können Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Maschinen erhöht werden. Die entwickelten Detailverbesserungen werden anschließend virtuell getestet.

Lösungsweg

Mithilfe bewegter und sich verformender Gitter wurde ein CFD-Modell des Pumpentriebwerks erstellt, um den Einfluss konstruktiver Details auf die Strömungsvorgänge zu analysieren. Als die Bauteilschädigung dominierende Strömungseffekte wurden Strahlkavitation sowie Kompression und Dekompression während der Umsteuervorgänge identifiziert. Die abgeleiteten Gegenmaßnahmen sind die Verlängerung der Saugniere sowie die Umlenkung des Kavitationsstrahls in wandferne Bereiche mithilfe von Vorsteuerbohrungen im Steuerspiegel.

Das IGF-Vorhaben "Ganzheitliche Berechnung der instationären Strömungen in Kolbenpumpen zur Verbesserung des Betriebsverhaltens" (Förderkennzeichen 15106 BR/1) der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.