Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle und numerische Untersuchungen der Schallentstehung in Pumpen und der Abstrahlung von Flüssigkeits- und Luftschall

Pumpen werden in großer Anzahl von KMU hergestellt und in vielen technischen Anwendungen eingesetzt. Die Abstrahlung von Flüssigkeits- und Luftschall ist dabei in vielen Bereichen ein wichtiges Kriterium für die Wettbewerbsfähigkeit. Systematische Untersuchungen zu den Ursachen und Beeinflussungsmöglichkeiten der Abstrahlung von Flüssigkeits- und Luftschall von Pumpen existieren nicht. Als besonders problematisch erweist sich für KMU‘s die Tatsache, dass die Vorausberechnung der Schallabstrahlung eines Produktes während der Entwicklung derzeit nicht möglich ist. Dies liegt u.a. darin begründet, dass bislang keine in sich geschlossene numerische Prozesskette existiert, um die Flüssigkeits- und Luftschallabstrahlung zu berechnen. Experimentelle Untersuchungen mit Prototypen hinsichtlich schallreduzierender Maßnahmen sind ebenfalls nur eingeschränkt möglich, da hierfür aus fertigungstechnischen Gründen meist nicht die Werkstoffe des Serienproduktes eingesetzt werden können.

Die dargestellte Situation führt gegenwärtig zu langen Entwicklungszeiten von Pumpen für schallsensible Anwendungen. Gegenstand dieses Vorhabens ist die experimentelle und numerische Untersuchung der Flüssigkeits- und Luftschallabstrahlung von Radialpumpen sowie die Bereitstellung einer experimentell validierten numerischen Prozesskette. Insbesondere sollen dabei Erkenntnisse gewonnen werden, welche Modellierungstiefe die miteinander gekoppelten numerischen Verfahren zur Strömungs-, Struktur-, Flüssigkeits- und Luftschallabstrahlung aufweisen müssen, um bereits im Entwicklungsprozess, ohne eine prototypische Umsetzung des zukünftigen Produktes, zuverlässig die Schallabstrahlung zu prognostizieren. Die Validierung der eingesetzten numerischen Verfahren erfolgt dabei an einer prototypischen Radialpumpe die im reflexionsarmen Halbraum der Universität Rostock aufgebaut ist. An diesem Prototyp können alle für die Validierung der numerischen Methoden benötigten Größen messtechnisch erfasst werden.

Das Vorhaben leistet somit einen Beitrag zur Verbesserung bestehender Produkte und schafft Basiswissen für die Entwicklung neuer Produkte und Auslegungsverfahren, was zu einer Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit beiträgt. Aus diesem Grund ist das Innovationspotential für Hersteller von Pumpen als hoch einzustufen. Die im Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft vorgesehenen Maßnahmen sind gut geeignet, möglichst viele Unternehmen im relevanten Nutzerkreis anzusprechen.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Forschungsprojektes bestand in der Entwicklung und experimentellen Validierung einer numerischen Prozesskette zur Vorhersage der Hydroschall- und Luftschallabstrahlung von Radialpumpen. Hierfür wurden unterschiedliche Modellierungswerkzeuge herangezogen sowie entwickelt und zu einer multiphysikalischen Prozesskette zusammengefügt. Als Ausgangspunkt wurden CFD-Simulationen zur Berechnung der turbulenten Strömung in der Pumpe eingesetzt. Hieraus wurden zum einen die anregenden Wanddruckkräfte für die Strukturberechnung und zum anderen die hydroakustischen Quellterme abgeleitet. Die Simulation der Gehäuseschwingungen erfolgte mit der FEM, wodurch schließlich eine Abstrahlungsrechnung des Luftschalls mittels BEM ermöglicht wurde. Der Flüssigkeitsschall in der Pumpe und den Rohrleitungen wurde mit der hybriden PCWE bestimmt. Die geschlossene Prozesskette wurde erfolgreich zur Vorhersage der Schallabstrahlung der experimentellen Prototypenpumpe eingesetzt und steht ab sofort zur Verfügung.

Als Anwendungsmöglichkeit könnten z.B. einzelne Komponenten der Pumpe im Designprozess optimiert werden. Zur Lärmminderung könnte ein anregungs- oder abstrahlungsorientierter Ansatz verfolgt werden. So könnte zum einen eine möglichst geringe Anregung der Schallquellen in der Strömung verfolgt werden oder alternativ das Gehäuse der Pumpe bzw. die Lagerung des Rohrleitungssystems mit einer möglichst geringen Schallabstrahlung ausgelegt werden.