Strömungstechnik > Interdisziplinäre Hightech-Forschung am Kompetenzzentrum für Hydraulische Strömungsmaschinen in Bochum

Interdisziplinäre Hightech-Forschung am Kompetenzzentrum für Hydraulische Strömungsmaschinen in Bochum

Gebündelte Kompetenzen

von Prof. Dr.–Ing. Romuald Skoda

Pumpen und Pumpensysteme verbrauchen ein Zehntel der elektrisch erzeugten Energie in Europa. Davon könnte nach Schätzung der europäischen Kommission ein erheblicher Anteil eingespart werden. Die große wirtschaftliche und energiepolitische Bedeutung der Pumpen ist ein Grund dafür, dass Forscher der Ruhr-Universität Bochum im Kompetenzzentrum für Hydraulische Strömungsmaschinen die Grundlagen erforschen, die zur Entwicklung und Nutzung von zukünftigen hydraulischen Strömungsmaschinen benötigt werden.

Hydraulische Strömungsmaschinen, also Pumpen und hydraulische Systeme, begleiten unser tägliches Leben überall dort, wo flüssige Medien gefördert werden. Ihre Anwendung reicht von der Medizintechnik über die privaten Haushalte, die Lebensmittelindustrie und das Automobil bis zur Energie- und Verfahrenstechnik. Sie gehören in unserer technisierten Welt zu den am weitesten verbreiteten Maschinen. Die Aggregate werden seit dem Jahr 2010 im Kompetenzzentrum für Hydraulische Strömungsmaschinen (KHS) systematisch erforscht.

In Bochum wird der Frage des hohen Stromverbrauchs auch, aber nicht nur durch eine strömungsmechanische Optimierung des Wirkungsgrades nachgegangen. Eine nachhaltige Forschungsstrategie und damit eine Sicherung der technologischen Spitzenstellung deutscher Unternehmen der Pumpenindustrie müssen einem systembezogenen Ansatz folgen. Dieser Ansatz umfasst neben den strömungstechnischen Fragestellungen in der Pumpe auch Aspekte der Wechselwirkung mit hydraulischen Anlagen und der Haltbarkeit der verwendeten Werkstoffe, die elektrischen Antriebe und deren Regelung, moderne Sensorik und Aktorik, die Geräuschentwicklung bis hin zur Unterbindung der Produktpiraterie.

Das Bochumer Kompetenzzentrum für Hydraulische Strömungsmaschinen verfolgt diesen systembezogenen Forschungsansatz. Der interdisziplinäre Charakter des Forschungsverbundes wird durch die Vielfalt der Themen deutlich. Dabei hat das KHS gleichermaßen die Interessen der Hersteller und Betreiber von hydraulischen Strömungsmaschinen im Fokus. Der Nutzen für die Industrie ist neben den Forschungsergebnissen auch die Verfügbarkeit gut ausgebildeter Ingenieure.

Keine Chance der Produktpiraterie

Illegale Produktnachbauten bedrohen zunehmend die deutsche Pumpen- und Armaturenindustrie und schädigen die Kunden dieser Branchen. Die Forscher im KHS begegnen dieser Bedrohung durch die Entwicklung und Erprobung von technischen Schutzkonzepten. Sie entwickelten ein für Pumpen geeignetes Produktauthentifizierungsverfahren, das mit Hilfe von QR-Code sowie Smartphones eine speziell erweiterte Produktdokumentation bereitstellt.

Kopplung von Strömung und Struktur

Die von der Strömung auf die Bauteile ausgeübten Kräfte bewirken eine Verformung oder können gar Schwingung auslösen, die eine Zerstörung der Maschine zur Folge haben können. Die veränderte Geometrie wiederum hat eine Rückwirkung auf die Strömung. Besonders stark ist diese Rückwirkung bei Nicht-Newton‘schen Fluiden (z.B. Klärschlamm oder Biomasse), die ihre Eigenschaften mit der aktuellen Strömungssituation verändern. Im KHS wird dieser Wechselwirkung mit der Entwicklung und Anwendung von Methoden der Fluid-Struktur-Interaktion Rechnung getragen, bei der eine gekoppelte 3D-Simulation der Strömungs- und Festkörperdynamik zur Optimierung der Maschine durchgeführt wird. Beispiele für den Einsatz der gekoppelten Simulation im KHS sind die Vorausberechnung des Axialschubes von Kreiselpumpenrotoren, der Temperaturverteilung in Pumpengehäusen oder der Festigkeit von Rührwerken in Klärschlämmen.

Neue Werkstoffe

Materialverschleiß in hydraulischen Strömungsmaschinen tritt abhängig von der Aufgabe der Maschine auf: entweder durch Korrosion (chemische Reaktion des Materials mit dem Fluid), oder durch Abrasion (aggressiv kratzende Partikel). Eine besondere Herausforderung ist das Auftreten beider Schädigungsmechanismen, wie sie z.B. in Ölschlammpumpen auftreten. Für beide Verschleißarten hat man zwar widerstandfähige Stähle entwickelt: Gegen Korrosion werden Stähle mit Chrom legiert. Gegen Abrasion hilft die Ausbildung harter Partikel im Stahl, sogenannte Karbide, die i.d.R. auch aus Chrom bestehen. Abrasionsoptimerte Werkstoffe verbrauchen das Chrom und machen damit die Werkstoffe anfällig gegen Korrosion. Beide Lösungen lassen sich daher bisher schlecht kombinieren. Am KHS wurde eine Lösung entwickelt, die i.w. auf den Ersatz von Chrom durch das Element Niob beruht. Zur Herstellung der neuen, sowohl gegen Korrosion als auch Abrasion resistenten Werkstoffe wird ein neues Verfahren angewendet: die Pulvermetallographie.

Eine weitere Herausforderung bringt das Auftreten der Kavitationserosion mit sich: implodierende Dampfblasen hämmern mit ungeheurer Wucht auf die Werkstoffe und schädigen sie bis zur Zerstörung der Maschine. In diesem Zusammenhang werden am KHS dünne Schutz-Beschichtungen aus pseudoelastischen Formgedächtnislegierungen, z.B. Nickel-Titan-Legierungen zur Lebensdauerverlängerung getestet. Die Leistungsfähigkeit der beschichteten Werkstoffe ist an einfachen Geometrien bereits nachgewiesen. Aktuelle Forschungsschwerpunkte haben Verfahren im Fokus, mit denen Beschichtungen auch auf komplexen Geometrien wie z.B. geschlossenen Laufrädern eingebracht werden können.

Werkstoffwissenschaftler treffen auf die Strömungsmechanik

In Ergänzung zur Werkstoffoptimierung möchten Designer hydraulischer Strömungsmaschinen die Strömung derart beeinflussen, dass der gefährliche Kollaps der Dampfblasen fernab von den gefährdeten Wänden auftritt. Ein Forschungsschwerpunkt im KHS ist daher die Entwicklung von treffsicheren 3D-Strömungssimulationsmethoden. Zur Vorhersage der kavitierenden Strömung werden kompressible Verfahren entwickelt, wie sie ursprünglich aus der Gas- oder Aerodynamik bekannt sind. Die resultierenden Simulationsprogramme können die Belastung, die die Strömung auf das Bauteil in Form von punktuellen und kurzen „Hammerschlägen“ ausübt, präzise vorhersagen (s. Abb.1). Mit dem Ziel einer Simulationsmethode, die die strömungsmechanische und die werkstoffseitige Simulation koppelt, wird in zwei Doktorarbeiten die Antwort des Materials auf die strömungsinduzierte Belastung untersucht. Der Vorteil einer treffsicheren Vorausberechnung liegt auf der Hand: die Optimierung von hydraulischen Strömungsmaschinen im Labor via trial-and-error könnte durch eine numerische Optimierung am Computer ersetzt werden (s. Abb. 2). Die Bochumer Forscher möchten sich dabei an einer industriellen Anwendbarkeit ihrer neuen Simulationsmethoden messen lassen.

Einfach nur Flüssigkeiten oderkomplexe reaktive Phasensysteme?

In Dieseleinspritzpumpen werden zunehmend auch alternative Kraftstoffe auf bis zu 3000 bar und 100 °C komprimiert. Biokraftstoffe haben die Eigenschaft, sich bei diesen Extrembedingungen chemisch zu verändern. Auch bei vielen weiteren Fluiden handelt es sich um komplexe Mehrstoff- und Mehrphasensysteme, deren thermodynamischen und rheologischen Eigenschaften stark ­von denen des Wassers abweichen. Die Auswirkungen der komplexen Fluideigenschaften auf Pumpe, Ventile und Rohrleitungs­systeme werden an geeigneten Prüf­ständen untersucht (Beispiele s. Abb.3a+b). Auch für die Entwicklung leistungsfähiger Kavitations- und Ausgasungsmodelle müssen die thermodynamischen Eigenschaften komplexer Flüssigkeitsgemische in einem weiten Druck- und Temperaturbereich bekannt sein. Diese Stoffeigenschaften werden im Bochumer Kompetenzzentrum ermittelt und in numerische ­Modelle umgesetzt.

Stromsparen durch intelligente Regelung und ­innovative Komponenten

Ein entscheidender Beitrag zur Reduzierung des Stromverbrauchs von Pumpen ist die Entwicklung von intelligenten und preisgüns­tigen Regelkonzepten, die nicht nur von Experten in Betrieb genommen, sondern von einem Pumpenbetreiber in seiner Anlage einfach installiert werden können. Am KHS werden Lösungen entwickelt, die einem Betreiber einer Pumpe erlauben, aus einer Reihe von Einsatzszenarien auszuwählen und anschließend Betriebs- und Regelparameter von der Pumpe automatisch ermitteln und einstellen zu lassen. Ein wichtiger Kostenfaktor ist dabei die zur automatischen Konfiguration notwendige Sensorik zur Messung von Förderströmen, Drücken, Druckverlusten usw. Um möglichst schlanke Lösungen realisieren zu können, kommt Soft-Sensorik zum Einsatz. So kann z.B. bei der Ermittlung von Förderströmen auf Durchflusssensoren häufig verzichtet werden, weil aus der Messung des elektrischen Stroms der Antriebsmaschine auf den Förderstrom geschlossen werden kann. Die Antriebsmaschine selbst wird neben der Optimierung des Wirkungsgrades auch in Hinblick auf ihre ­regelungstechnischen Aufgaben optimiert.

Eine weitere Reduzierung des Strombedarfes wird durch die Erforschung neuer Ventilkonzepte angestrebt, die auf Formgedächtnislegierungen basieren. Die Art der Legierung erlaubt enorm hohe Aktorkräfte bei einfachster Bauweise, so dass neben einem energieeffizienten Betrieb des Aktors auch eine Gewichts- und Kostenreduzierung erreicht werden kann.

Auf die Systembetrachtung kommt es an

Der systembezogene Ansatz des KHS bezieht im weiten Sinne die Umgebung der Pumpe in die Forschungsaktivitäten ein. Zum Beispiel wird von den Bochumer Forschern die Möglichkeit erkundet, durch ein dezentrales Abwasser-reinigungskonzept einen Teil der zur Abwasserklärung aufgebrachten Energie zurückzugewinnen und dadurch unter dem Strich Strom für die notwendigen Rührwerke einzusparen.

Um der Ursache für den überhöhten Stromverbrauch von Pumpen systematisch auf die Schliche zu kommen, wird die Energiebilanz der Pumpe über ihren gesamten ­Lebenszyklus betrachtet. Dabei können ­neben dem Energiebedarf auch Aussagen über den Ressourcenbedarf sowie die resultierenden Umweltwirkungen getroffen werden.