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Netzwerker Strömungsmaschine

Forschung mit Weitblick – vielfältige Lösungsansätze für aktuelle und zukünftige Problemstellungen

Das Fachgebiet Hydraulische Strömungsmaschinen (HSM) meines geschätzten­ Vorgängers Herrn Prof. Dr.-Ing. Helmut Siekmann beschäftigte sich vorwiegend mit hydraulischen Strömungsmaschinen, wie es zu der Zeit durchaus üblich war. Es wurden im Schwerpunkt detaillierte Phänomene und Zusammenhänge in den Laufrädern und Leiteinrichtungen der Strömungsmaschinen erforscht. Daraus resultieren Strömungsmaschinen mit Wirkungsgraden teilweise bis über 90%. Heute liegt der weiterführende Fokus unserer Forschung des Fachgebiets Fluidsystemdynamik (FSD) auf der Untersuchung der Wechselwirkungen ­innerhalb eines gesamten Fluidsystems, wodurch sich oft ein viel „längerer Hebel“ zur Verbesserung der Fördereigenschaften ergibt.

Bild: Die Kármánsche Wirbelstraße ist ein Phänomen in der Strömungsmechanik, bei der sich hinter einem umströmten Körper gegenläufige Wirbel ausbilden. Die Wirbelstraßen wurden von Theodore von Kármán erstmals 1911 nachgewiesen und berechnet.

Bild: Die Kármánsche Wirbelstraße ist ein Phänomen in der Strömungsmechanik, bei der sich hinter einem umströmten Körper gegenläufige Wirbel ausbilden. Die Wirbelstraßen wurden von Theodore von Kármán erstmals 1911 nachgewiesen und berechnet.

Was sind Strömungsmaschinen und Fluidsysteme?

Kennzeichen einer Strömungsmaschine ist die umströmte Schaufel auf einem rotierenden Laufrad. Daraus ergeben sich zahlreiche bekannte Maschinen: Kreiselpumpen, Ventilatoren, Verdichter, Dampf-, Gas- und Wasserturbinen sowie hydraulische Wandler und schließlich Windenergieanlagen. Dementsprechend breit ist das Feld ihrer Anwendung: Vom Haartrockner bis zum Airbus – überall leisten Strömungsmaschinen ihren Dienst!

Eine Strömungsmaschine arbeitet nicht für sich. Sie ist Komponente in einem Netzwerk, bestehend aus Zuläufen, Abläufen, Rohr­leitungen, Armaturen, verschiedensten Bauräumen und vielem mehr. Oft wirken verschiedene Strömungsmaschinen auf ein System, manchmal auch eine interessante Kopplung von Strömungsmaschine mit Verdrängermaschine. Die Strömungsmaschine steht unter ständiger Beeinflussung der Elemente­ in ihrem Netzwerk. Ohne die Betrachtu­ng der anderen Systemkomponenten werden daher meist Teilergebnisse erzielt, die sich dann im Gesamtsystem beim realen Einsatz der Strömungsmaschine­ nicht abbilden lassen.

Am Fachgebiet FSD erforschen wir die Strömungsmaschine in ­ihrem Umfeld, dem Fluidsystem. Wir befassen uns am Fach­gebiet thematisch damit, Problemen in strömungstechnischen Anlagen auf den Grund zu gehen. Wir versuchen herauszufinden, wie Strömungsmaschinen zusammen mit ihrem System bessere Wirkungsgrade aufweisen, energieeffizienter arbeiten und suchen Ursachen im Detail. Wissenschaftliches Arbeiten bedeutet, das Problem in der Tiefe zu erfassen. Dennoch können die Ursachen erst dann ganzheitlich erforscht werden, wenn man dem Detailblick den Weitblick vorausschickt.


Abb.1 Versuchshalle K des Fachgebiets Fluid­systemdynamik an der TU Berlin


Abb.2 Verstopfter Radseitenraum einer Abwasserpumpe

Halle K – Kalle H

Unsere Experimentierhalle – im Umgang: “Kalle H“ bildet sicherlich das Herzstück des Fachgebiets (Abb. 1). Es handelt sich um eine Versuchshalle mit 620 m², ausgerüstet­ mit etwa 15 Prüfständen für Wasser- und Luftuntersuchungen sowie Messtechniken für Druck, Volumenstrom, Geschwindigkeit bis hin zu modernster zeitaufgelöster Partikel Image Velocimetrie (HSPIV). Hier forschen aktuell 15 wissenschaftliche Mitarbeiter im Rahmen von etwa­ 50 Projekten. Unterstützt werden die Arbeiten durch 4 Mitarbeiter als technisches Personal und etwa 20 Studierende als wissen­schaftliche Hilfskräfte. Teilweise sind die Projekte sehr überschaubar, wenn es z.B. um eine Kennlinien- oder Kavitationsmessung geht. Oft sind die Projekte jedoch sehr komplex, wenn sich die Unter­suchungen beispielsweise auf eine gesamte Pumpstation oder auch auf eine Wasch­maschine beziehen.

Unsere aktuellen Themenfelder umfassen u.a. intelligente Abwassersysteme, Simula­tion wassertechnischer Anlagen, Beseitigung­ von Verockerung in Rohrnetzen und Tiefbrunnenpumpen, modulare Kleinwindenergieanlagen, Strömungsphänomene in Verdichtern, Diagnose erdverlegter Armaturen, Kühlung von Elektromotoren, Simulation der Wäschebewegung in der Waschmaschine, Membran- und Kolbenmembranpumpen bis hin zu sehr speziellen Themenstellungen an Seitenkanalverdichtern, Gasturbinen oder die Auslegung von Durchströmturbinen bei kleiner Reynoldszahl.

Intelligente Abwasserpumpstationen

Im Abwassersystem in Berlin werden täglich etwa 600.000 m³ ­Abwasser über 9.600 km Kanalnetz, 1.160 km Druckrohre und 152 Pumpstationen zu 7 Klärwerken gepumpt. Hier treten Störungen in den Pumpstationen wesentlich infolge von Verstopfungen in den Laufradkanälen oder der Radseitenräume der Pumpen auf (Abb.2). Die wesentlichen Verstopfungsarten wurden­ über eine Situations­analyse erkannt­ und können im Labor über eine im Ganzen nachgebildete Pumpstation simuliert werden. Im nächsten Schritt werden sich anbahnende Verstopfungen mit geeigneter Sensorik diagnostiziert, um schließlich mit aktiver Reaktion erfolgreich bekämpft bzw. beseitigt zu werden. Diese Kurzdarstellung umfasst mehrjährige intensive Forschungsarbeit am „gläsernen Pumpwerk“ (Abb.3) und in einer realen Pumpstation. Im Ergebnis­ wird jetzt eine Diagnose mit aktiver­ Reak­tion für Abwasserpump­stationen als Produktidee umgesetzt und vermarktet – ein schöner Erfolg für dieses Arbeits­feld.


Abb.3 „Gläsernes Pumpwerk“, die Modellnachbildung einer kompletten Pumpstation in der Versuchshalle K


Abb.4 Dipl.-Ing. Robert Sorge während einer Geschwindigkeitsmessung mittels High Speed Partikel Image Velocimetrie (HSPIV)


Abb.5 Computergestützte Simulation des Wäsche­falls


Abb.6 „Gläserne Waschmaschine“

Energiebedarf eines Tagebaus

Im Tagebaurevier der Lausitz werden täglich etwa 1 Mio.m³ Wasser gefördert, um die Kohlegruben trocken zu halten und den Abbau zu ermöglichen. Dieses Wasser ist ein nennenswerter Bestandteil des Volumen­stroms der Spree in Berlin. Es sind etwa 2.500 Unterwassermotorpumpen in Tiefbrunnen im Einsatz. Die Kosten für Energie­, Wartung und Instandhaltung betragen zweistellige Millionenbeträge.

Das Fachgebiet FSD hat im Rahmen einer aktuellen Dissertation Ansätze zur Modellierung eines komplexen Ableitersystems für die Grundwasserabsenkung geliefert. Insbesondere ist es gelungen, die Aus­wirkungen von Sandverschleiß und Verockerung quantitativ zu bewerten und in einem Simulationsprogramm einzubauen. Im Ergebnis lassen sich die Energie- und Wartungsmaßnahmen prognostizieren und Szenarien und Strategien miteinander vergleichen. Die Ergebnisse zeigten konkrete Potenziale für einen verminderten Energiebedarf, weniger Wartungsaufwand und damit­ einer höheren Wirtschaftlichkeit der Entwässerung auf.

Zeitaufgelöste Geschwindigkeitsmessung (HS-PIV)

Instationäre Phänomene in Strömungs­maschinen lassen sich nur mit zeitaufge­lösten Messungen für Druck und Geschwindigkeit erschließen. Hier sei als Beispiel die rotierende Instabilität in Verdichtergittern genannt, die zu einer enormen Geräuschentwicklung führen kann. Triebwerke, bei denen dieses Phänomen ­auftritt, sind nicht zu betreiben. Bei den experimentellen Untersuchungen gilt es, eine entstehende und gleich wieder vergehende Rückströmung in den Schaufelgittern zu detektieren. Hierzu verwenden wir zeitaufgelöste Partikel Image Velocimetrie (HS-PIV), mit der wir eine Abtastrate von 5kHz erreichen. Die rotierende Instabilität konnte­ einwandfrei nachgewiesen werden. Auch in anderen schnelldrehenden Strömungsmaschinen können manche Wirkungen nur durch schnelle Messtechnik genügend genau abgebildet werden. Hierzu verfügt das Fachgebiet Fluidsystemdynamik über entsprechende Messverfahren und entwickelt diese kontinuierlich weiter (Abb.4).

Simulation der Wäschebewegung in der Waschmaschine

In einem Verbundprojekt für Bosch Siemens­ Hausgeräte (BSH) wirkt das Fachgebiet maßgebend an der Simulation der Wäschebewegung in der Waschmaschine mit. Hierzu gehören neben der TU Berlin die Beuth Hochschule für Technik und die Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin. Die Kompetenzen der Beteiligten ermöglichen die Beschreibung der verschiedenen Textilien, die Wechselwirkung mit der Trommel bis hin zur Multiphasenströmung der beteiligten Fluide (Abb.5). Bis heute ist das rheologische Verhalten nasser Wäsche nicht ausreichend beschrieben­ und birgt große wissenschaftliche Herausforderungen. Ein wichtiges Element ist eine gläserne Waschmaschine (Abb.6), mit der eine Validierung der Bewegung­ der Textilien in der Trommel ermöglicht wird. Aus den Erkenntnissen lassen sich Ansätze zur Beeinflussung der Waschleistung bei gleichzeitiger Ein­sparung von Ressourcen (Energie, Wasser, Waschmittel) ableiten.

Zusammenfassend beschäftigt sich das Fachgebiet FSD mit „allem, was strömt und mit Maschinenbau zu tun hat“. In diesem Sinne wird ein breites Forschungsfeld mit unterschiedlichsten Anforderungen bearbeitet. Im Vordergrund steht jedoch immer­ noch sehr stark die Herangehensweise über das Gesamtsystem. Im Kontext des gesamten Fluidsystems ergeben sich die größten Beeinflussungspotenziale in Richtung von Verbesserungen. Dabei ergeben­ sich oft spannende wissenschaftliche Problemstellungen, die es in der Tiefe zu ergründen gilt.

(Foto 1: Nasa)

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C&M 1 / 2013

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe C&M 1 / 2013.
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