PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2022

Pumpen und Systeme

Pumpen und Systeme Membrandosierpumpen sowie Betriebskräften und -beschleunigungen zu berechnen.“ Mit dem Festigkeitsnachweis nach der FKM-Richtlinie werden daraus im Anschluss die Auslastungsgrade des Bauteils unter statischen sowie dynamischen Randbedingungen ermittelt – und damit die Betriebsfestigkeit. Dadurch konnte der Leonberger Hersteller den Versuchsaufwand an realen Bauteilen reduzieren und so die Entwicklungszeit der Modelle LCC und LCD verkürzen. „Derartige Berechnungen sind für uns auch deshalb von besonders großer Bedeutung, da mit unseren Aggregaten mitunter gefährliche Fluide gefördert werden“, ergänzt ein weiterer Ingenieur. „In der Simulation werden Worst-case-Szenarien betrachtet, die im Versuch nur unter teils erheblichem Aufwand realisiert werden können. Auf diese Weise lässt sich das Unfallrisiko deutlich minimieren.“ Gemäß dem konstruktiven Konzept stand neben der Sicherheit und Robustheit der Aggregate auch die Reduktion der Teilezahl im Vordergrund. So wurde im Verlauf des Projekts überprüft, ob ein gemeinsames Ölbad und die Direktanbindung des Kolbens an das Pleuel, die ein Einsparpotential von fünf Bauteilen bargen, in der Praxis umsetzbar waren: „Den Kompromiss, dass nur noch ein Öl für die Schmierung sowie die Übertragung hydraulischer Energie verwendet wird, haben wir in vielen tausend Stunden Dauerversuch abgesichert“, so der Ingenieur. Zudem ließen sich viele Serien-Triebwerksbauteile aufgrund ihrer hohen Stückzahl und der dadurch passenden Kosten übernehmen. Dies führte jedoch auch zu Herausforderungen: So wurde beispielsweise zur Verwendung und besseren Montierbarkeit des Serien-Pleuels die Positionierung der Schneckenwelle im Triebwerksgehäuse und damit auch die Öldynamik verändert. Während des Betriebs verteilte sich das Öl ungleich in den Triebwerken der Dreifachpumpe und es bildete sich eine Ölwelle. Das behinderte den Ölaustausch zwischen den Mehrfachtriebwerken, was sich ungünstig auf Schmierung und Hydraulik auswirkte. Lösung mit Hilfe einer Simulation der Ölbewegungen durch SPH „Wir haben den Effekt am physischen Versuchsträger erkannt, es war allerdings schwierig, in die Bauteile hineinzuschauen, um feststellen zu können, was dort genau passiert und wie es sich abstellen lässt“, so der Ingenieur. Daher benötigten die Ingenieure eine Simulationsmethode, um die Vorgänge innerhalb des Triebwerks zu veranschaulichen. Die bisher genutzten CFD- und CFX-Verfahren zur Simulation des Pumpenverhaltens waren jedoch nur wenig geeignet, um dem Phänomen auf die Spur zu kommen, da sie bei dieser Problemstellung mit einem enormen Zeit- und damit Kostenaufwand verbunden gewesen wären. Aus diesem Grund entschieden sich die Ingenieure, einen neuen Weg zu beschreiten und erstmals eine Methode zu verwenden, die ursprünglich zur Behandlung astrophysikalischer Problemstellungen im dreidimensionalen freien Raum entwickelt wurde. SPH ist ein partikelbasiertes Verfahren und wird im Allgemeinen dann genutzt, wenn hochdynamische und starke Strömungen oder freie Oberflächenströmungen effizient simuliert werden sollen. Klassische Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Nachbildung von Ölströmungen in Fahrzeuggetrieben oder die Simulation von Tankschwappen. „Wir mussten mehrere Schleifen drehen und dabei auch einige Hypothesen am physischen Versuchsträger untersuchen, haben schlussendlich aber sehr schnell zuverlässige Simulationsergebnisse erhalten, die das beobachtete Strömungsverhalten gut und nutzbar reproduzieren konnten“, erläutert der RD Engieneer. „Die Simulation hat enorm geholfen, das Phänomen zu verstehen.“ In der Folge wurden Abstellmaßnahmen konzipiert sowie konstruktiv umgesetzt. Weitere Simulationen sowie die anschließende Validierung der eingesetzten Modifizierungen zeigten die gewünschte homogene Ölverteilung und geringe Ölbewegungen an der Oberfläche. Neuer Baukasten mit Reduktion von Herstellungskosten um 40 % Im Dezember 2021 konnte die Entwicklungsarbeit erfolgreich abgeschlossen werden. Das Ergebnis war ein neuer ecosmart- Baukasten bestehend aus drei Triebwerksleis tungsklassen und den zugehörigen Membran-Pum- Abb. 6: Untersuchung mit SPH-Methode: Vorher – Nachher: Während des Betriebs verteilte sich das Öl ungleich in den Triebwerken der Dreifachpumpe und es bildete sich eine Ölwelle. Um das Problem der Ölwelle zu lösen, verwendeten die Ingenieure mit SPH erstmals eine Methode, die ursprünglich zur Behandlung astrophysikalischer Problemstellungen im dreidimensionalen freien Raum entwickelt wurde und heute im Allgemeinen dann genutzt wird, wenn hochdynamische und starke Strömungen oder freie Oberflächenströmungen effizient simuliert werden sollen. Im Bild: Simulation Ölverteilung in einer Dreifachpumpe vorher/nachher penköpfen. Das neue Produktprogramm umfasst Einfach- und Mehrfach-Pumpen, vier Getriebeübersetzungen, eine manuelle sowie eine elektrische Hublängenverstellung, zehn Kolbendurchmesser im Hydraulikteil und drei Werkstoffvarianten. Verschleißbezogene Langzeitversuche und funktionsbezogene Kurzversuche zur Feststellung der technischen Sachmerkmale und zur Funktion unter extremen Randbedingungen (Temperatur, Druck, Hubfrequenzen, Eingangsdrehzahlen) hatten zuvor die Robustheit, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des neuen Lowcost-Pumpenprogramms bewiesen. Die Stücklistenstruktur des Pumpenproduktes wurde entsprechend der Anforderungen der automatisierten Konfigurationssoftware gestaltet (Triebwerkselement, Pumpenkopf, Antriebsflansch, Fluidventile, Ventilkörper als kundenseitige Anschlussadapter). Gleichzeitig konnte neben den technischen Zielen auch eine Reduktion der Herstellungskosten um 40 Prozent im Vergleich zu den Hochdruck-Membranpumpen gleicher Größe aus der ecoflow-Baureihe erzielt werden. „Die Erfahrungen, die wir während dieses Projekts durch das konstruktive Konzept, die Erprobung und die daraus abgeleiteten Maßnahmen gewinnen konnten, haben uns einige neue Erkenntnisse gebracht und Know-how generiert, von dem wir auch in zukünftigen Entwicklungsprojekten profitieren werden“, resümiert der Team Leader Research & Development Mechanics. Autor: Thomas Bökenbrink, Lead Product Manager Pumps, LEWA GmbH, Leonberg, Deutschland 44 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2022