Analyse und Verbesserung des Ansaugverhaltens von Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise
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- Cornelia Schuster
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1 Analyse und Verbesserung des Ansaugverhaltens von Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise Von der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) angenommene Dissertation Dipl.-Ing. Norman Bügener geb. am in Aschersleben Tag der Einreichung: Tag der Verteidigung: Gutachter: Prof. Dr.-Ing. S. Helduser Prof. Dr.-Ing. B. Schlecht Prof. Dr.-Ing. U. Gampe Vorsitzender der Prüfungskommission
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3 Fluidmechatronische Systeme Norman Bügener Analyse und Verbesserung des Ansaugverhaltens von Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise Shaker Verlag Aachen 2014
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2013 Copyright Shaker Verlag 2014 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fluidtechnik der TU Dresden (IFD). Besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. S. Helduser, meinem Doktorvater und ehemaligen Leiter des IFD, für die langjährige Unterstützung auf meinem Weg zur Promotion. Ebenfalls gilt ein besonderer Dank Herrn Prof. Dr.-Ing. J. Weber, der seit 2010 das Institut leitet und mir seit dem mit hohem Engagement und wertvollen Ratschlägen zur Seite steht. Herrn Prof. Dr.-Ing. B. Schlecht, dem Leiter des Instituts für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion der TU Dresden, danke ich für die Übernahme des Zweitgutachtens. Den Kollegen des Instituts danke ich für die sehr schöne gemeinsame Zeit und die vielen fachlichen und weniger fachlichen Gespräche und Aktivitäten. Darüber hinaus möchte ich mich bei den Studenten bedanken, deren eigene Arbeiten zum Gelingen der Dissertation beigetragen haben. Mein ganz besonderer Dank gilt meiner Familie, insbesondere meiner Freundin Susanne und meiner Tochter Cataleya, für ihr scheinbar unerschöpfliches Verständnis und die Kraft, die sie mir in jeder Sekunde auf dem Weg zur Promotion gegeben haben. Dresden, März 2014 Norman Bügener
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7 Inhalt I Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einleitung und wissenschaftliche Problemstellung Stand der Forschung Axialkolbenpumpen Ansaugverhalten hydrostatischer Pumpen Untersuchungen zur Saugleitung Untersuchungen zum Pumpen-Saugkanal Weiterführende Untersuchungen zum Ansaugverhalten Hinweise für ein verlustarmes Ansaugverhalten Einfluss des Ansaugverhaltens auf Hochdruckpulsation und Geräuschemission Eigenschaften von Mineralöl und Fluidmodellierung Zielsetzung, Aufgabenstellung und Vorgehensweise Analyse des Ansaugverhalten von Axialkolbenpumpen Analytische Betrachtung der Druckverluste entlang des Ansaugpfades Prüfstandsaufbauten für experimentelle Untersuchungen CFD-Modelle zur Analyse des Ansaugverhaltens Numerische und experimentelle Ermittlung des Druckverlusts im Vergleich Einfluss der Saugkanalgeometrie auf die Strömungsverluste Analyse der Saugdruckpulsation Kriterien zur Beschreibung der Saugdruckpulsation Einfluss des realen Ansaugvorganges auf die Strömungsverluste Kolbeninnendruckmessung Einfluss der Umsteuergeometrie auf die Saugdruckpulsation und Korrelation mit der Geräuschemission Einfluss des Ansaugverhaltens auf die Betriebsstabilität Zusammenfassung der Analyse des Ansaugverhaltens Maßnahmen zur Verbesserung des Ansaugverhaltens Verbesserung des Saugkanal-Designs mit Hilfe eines bionischen Ansatzes Flussmäander als bionischer Ansatz zur Strömungsumlenkung Strömungsmechanische Ursachen der Mäanderbildung Entwicklung einer verlustarmen Saugkanal-Geometrie mit bionischem Ansatz für Pumpe
8 II Formelzeichen und Abkürzungen Entwicklung einer verlustarmen Saugkanal-Geometrie für Pumpe Minderung der Saugdruckpulsation mittels Helmholtz-Resonator Physikalische Grundlagen von Helmholtz-Resonatoren Auslegung eines Helmholtz-Resonators für die Saugseite hydrostatischer Pumpen Experimentelle Untersuchung eines Prototyps für den Saugleitungseinbau Numerische Untersuchung eines Prototyps für den Saugleitungseinbau Integration des Helmholtz-Resonators in die Pumpe Adaptiver integrierter Helmholtz-Resonator Zusammenfassung und Ausblick Literatur A Anhang... A-1 A.1 Eigenschaften von Mineralöl... A-1 A.2 Kavitation... A-1 A.2.1 Grundlagen der Kavitation... A-1 A.2.2 Einflussfaktoren auf die Kavitation... A-5 A.2.3 Kavitationsintensität... A-7
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