Miniaturisierte Hochdrehzahl - Kuhlmittelpumpen fiir Kfz - Motoren

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Jasmin Fuchs
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1 Miniaturisierte Hochdrehzahl - Kuhlmittelpumpen fiir Kfz - Motoren Von der Fakultat fur Maschinenbau der Technischen Universitat Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung der Wiirde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Silvio Bischoff aus Eisfeld Eingereicht am: Mundliche Priifung am: Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. G. Kosyna Prof. Dr.-Ing. P. Eilts 2010

2 Mitteilungen des Pfleiderer-Instituts 14 (2010) Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 15 2 Grundlagen der Pumpenauslegung Allgemeine stromungstechnische Einfuhrung Verluste und Wirkungsgrade einer Pumpe Stromungsmechanismus am Laufrad 18 Minderumlenkung und Schaufelverengung 18 Spezifische Spaltdruckarbeit, Reaktionsgrad sowie Druck- und Lieferzahl Laufradformen Charakteristische Kennlinienverlaufe Schaufelkriimmung Kavitation 21 Saugkennzahl Cordier Diagramm Axialschub Spezifische Literatur Anforderungen im Kiihlkreislauf Spalteinfluss 25 Mittlere bezogene Spaltfdche 26 Einflussfaktoren 26 Dichtspaltgrofien im Kfz 27 3 Auswahl der Testpumpen Wahl der Auslegungspunkte Pumpenausfiihrungen Festlegung der SpaltmaBe Motorenkonzepte 29 4 Auslegung, CFD-Rechnung und Konstruktion der Pumpen Auslegung der Pumpen Halbaxiales Laufrad mit Spirale 31 Laufmdauslegung 31 Auslegung der Spirale Halbaxiales Laufrad mit Leitrad 35 Laufmdauslegung 55 Leitradauslegung Axiales Laufrad mit Leitrad 36 Vorgaben zum Entwurf 37 Berechnung deraxialgeschwindigkeitsverteilung 38 Umfangswirkungsgrad des Stufenelementes 39 Verluste in Lauf- und Leitrad 39 Schaufeltiberkriimmung 40 Entwurfsvorgang der Beschaufelung 41

3 Inhaltsverzeichnis 4.2 Nachrechnung mittels CFD Halbaxialmaschine mit Spirale 44 Pumpe 1 44 Pumpe 5 45 Pumpe 6 46 Pumpe Halbaxialmaschine mit Leitrad 46 Pumpe 2 46 Pumpe Axialmaschine mit Leitrad 48 Pumpe 3 48 Pumpe 4 49 Pumpe 9 50 Pumpe Konstruktive Umsetzung Pumpenaufnahme Laufrader und Spaltringe Spiralgehause Leitrad der Halbaxialmaschine Leitrad der Axialmaschine Oberflachenrauheit 53 5 Prufstand, Messverfahren, Auswertung und Messfehler Prufstand Einbindung der Pumpen Messverfahren Ermittlung der axialschubabhangigen Verlustmomente Axialkraftsensor Messfehler 58 6 Messungen und Ergebnisse Integrate MessgroBen der Halbaxialmaschinen mit Spirale Kennlinien 60 Pumpe 1 60 Pumpe 5 61 Pumpe 6 61 Pumpe NPSH-Verhalten 62 Pumpe 1 62 Pumpe 5 62 Pumpe Integrate MessgroBen der Halbaxialmaschinen mit Leitrad Kennlinien 63 Pumpe 2 63 Pumpe 8 63

4 Mitteilungen des Pfleiderer-Instituts 14 (2010) NPSH-Verhalten 63 Pumpe 2 63 Pumpe Integrate MeBgroBen der Axialmaschinen mit Leitrad Kennlinien 64 Pumpe 3 64 Pumpe 4 64 Pumpe 9 64 Pumpe NPSH-Verhalten 65 Pumpe 3 65 Pumpe 4 66 Pumpe 9 66 Pumpe Auswertung der Messergebnisse Allgemein Nutzbare Arbeitsbereiche der Drosselkurven Abweichungen zum Auslegepunkt Bewertung der verwendeten Auslegeverfahren Vergleich der CFD zur Messung Lage des Punktes besten Wirkungsgrades Auswertung nach besonderen Merkmalen Spalteinfluss auf Wirkungsgrad-, Forderhohen- und Volumenstromabfall 71 Wirkungsgradabfall 71 Volumenstromabfall 74 Forderhohenabfall SpaltmaBempfindlichkeit Wirkungsgradniveau 76 Wirkungsgradniveau in Bezug auf die Oberflachenrauheit NPSH Saugkennzahl SpaltmaBbetrachtung 80 Betrachtung an radialer Dichtspaltgeometrie 82 Betrachtung an halbaxialer Dichtspaltgeometrie Hydraulische Betrachtungen im Kuhlkreislauf Leistungsbetrachtung fur einen elektrischen Antriebsmotor Axialschub und Lagerbelastungen Werkstoffe, Herstellbarkeit und Bauvolumen 88 Gegebenheiten konventioneller Kiihlmittelpumpen 89 Moglichkeiten fiir die untersuchten Pumpen Kosten Vergleich von 2D- und 3D-Rad 92

5 Inhaltsverzeichnis Verbessernde MaBnahmen fur die Kuhlmittelpumpenauslegung 95 Kreislaufwiderstandsabhdngiger Forderhohenzuschlag bei Halbaxialmaschinen 95 Skalierfaktoren der Axialmaschinen 97 Verschiebung des Wirkungsgradoptimums am Beispiel der Spiralvergrofierung von Pumpe 6 mit CFD Markante Unterschiede der hier ausgefuhrten Pumpengestaltung zu konventionellen Kuhlmittelpumpen 99 8 Ergebnis, Vorzugsdrehzahlen, Hinweise Zusammenfassung und Ausblick 104 Schrifttum 106 A Tabellen und Bilder 108 B Kennlinien 124

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