Numerische und experimentelle Untersuchung von Teilkavitationszuständen in oszillierenden Verdrängerpumpen

Kavitation in oszillierenden Verdrängerpumpen stellt eine technische Herausforderung dar. Obwohl es Auslegungsrichtlinien zur Vermeidung dieses Zustands gibt, kommt es immer wieder zu Schadensfällen, die auf Kavitation zurückzuführen sind. Vorarbeiten konnten zeigen, dass nicht alle Teilkavitationszustände zwangsläufig zu einem Pumpenausfall führen. Ungeklärt bleibt die Interaktion zwischen Pumpe und System in diesem Zustand, die am Ende der Kavitationsphasen teilweise in signifikant hohe Druckstöße resultiert. Ziel der Forschungsarbeit ist es, die Interaktion von Pumpe und System während des kavitationsbehafteten Betriebs näher zu beleuchten. Darüber hinaus soll ein Messsystem entwickelt und analysiert werden, welches das Ziel hat, die Veränderung des auftretenden Dampfvolumens zu erfassen. Um die Auslegungsmethoden voranzutreiben, wird ein Simulationstool entwickelt, welches die fluiddynamischen Gleichungen der Rohrleitungsströmung mit einem vereinfachten Ventilmodell koppelt. Der fluiddynamische Anteil des Simulationsprogramms, insbesondere die instationären Reibmodelle und die Kavitationsmodelle, werden anhand von Vergleichsexperimenten und Modellen verifiziert. Anschließend wird die Kopplung mit dem bisherigen Ventilmodell verglichen. Analog zu den numerischen Studien wird ein Prüfstand zur experimentellen Untersuchung aufgebaut. Dieser orientiert sich an dem analytischen Kavitationsmodell. Die experimentelle Analyse des Systems zeigt, dass saugseitige Eigenfrequenzen des Systems bei Kavitation beginnen abzufallen. Zudem zeigt sich, dass die Interaktion zwischen der Kolbenfront und dem Fluid signifikanten Einfluss auf das Dämpfungsverhalten während der Ansaugphase hat. Es zeigt sich, dass das entwickelte Monitoringsystem, welches das Dampfvolumen qualitativ erfasst, bereits bei beginnenden Teilkavitationszuständen die Zustandsänderungen erfasst. Abschließend werden Messung und Simulation des Prüfstands miteinander betrachtet. Es zeigt sich, dass die Dämpfung des gemessenen Systems deutlich höher ausfällt, als die der Simulationen. Die erhöhten Dämpfungseffekte während der Ansaugphase liegen einerseits in Abweichungen während des Ventilöffnungsvorgangs, andererseits wird in der Modellierung der Einfluss ausgasender Luft vernachlässigt. Ein weiterer Effekt liegt in der Interaktion zwischen Kolbenfront und Fluid, insbesondere der Lastwechsel im Getriebe bei Unterschreitung des Umgebungsdrucks beeinflusst den Öffnungsvorgang maßgeblich. Durch Applikation einer teilreflektierenden Randbedingung kann die Dämpfung im System adaptiert werden. Dabei zeigt sich gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment in den gegebenen Lastfällen.