Peter Achten zeigt die Verformung von Becher und Kolben während des Hubs. Wer sich für die Details des Vortrags interessiert, findet eine Aufzeichnung auf Youtube (Innas-Kanal). - (Bild: Innas)
Einen interessanten Vortrag hielt beim zwölften IFK (International Fluid Conference) Peter Achten, vom Unternehmen Innas. Die Firma bietet Entwicklungsdienstleistungen, Beratung und Lizenzen für selbstentwickelte Technologie an. Bei dem IFK-Vortrag ging es um Design, Herstellung und Tests von Kolben und Zylindern für große hydrostatische Pumpen und Motoren in Offshore-Windenergieanlagen (WEA). Das Entwickler-Team setzte bei dem Projekt auf Floating-Cup-Pumpen. Dabei wird das Kolben-Zylinder-Prinzip umgekehrt: Die Kolben stehen fest und die Zylinder bewegen sich. Das Unternehmen nennt diese Zylinder „Cup“ (engl.: Becher/Tasse) daher der Name „Floating-Cup“. Das Prinzip erfordere präzise gefertigte Komponenten, reduziere allerdings die Leckage, erklärt Achten. Außerdem löst es laut Hersteller das Problem hoher Reibungsverluste zwischen Kolben und Becher und verringert den damit verbundenen Verschleiß.
Das Konstruktionsprinzip funktioniere bekanntermaßen gut für kleine Kolbendurchmesser, erläuterte Achten in seinem Vortrag. Ziel des Projektes war es, herauszufinden, ob es bei großen Kolbendurchmessern, genauer gesagt einem Verdrängungsvolumen von fünf Litern pro Umdrehung, auch effizient ist. Das Unternehmen baute dazu eigens einen Prüfstand, mit dem Leckage und Reibung gemessen werden.
Um die Tests möglichst aussagekräftig zu machen, liefen sie bei der tribologisch anspruchsvollen Frequenz von 0,09 Hertz ab. Für die Tests ließ die Firma Kolben und Becher mit unterschiedlichen Durchmessern fertigen. Die beste Leistung erbrachte ein Set, bei dem der Becher einen Durchmesser von 66,000 Millimeter hatte und der Kolben von 66,007 Millimeter. Diese Kombination erreicht bei mehr als 250 bar eine Reibungskraft von unter zehn Newton während des gesamten Bewegungszyklus.
Dann folgten Tests, die speziell auf das Getriebe der WEA zugeschnitten waren. Dort werden sowohl Pumpen als auch Motoren verbaut, der Druck beträgt in der Regel 270 bar. Der Durchfluss liegt bei 7400 Liter pro Minute. Das Unternehmen ermittelte für diese Bedingungen Reibungsverluste und Leckage. Durch eine kleine Designänderung am Kopf der Kolben verbesserten die Entwickler beide Werte.
Die volumetrischen Verluste und die Reibungsverluste summieren sich nun wie folgt: Bei den Pumpen betragen die Gesamtverluste 0,3 Prozent. Bei den Motoren sind es insgesamt 0,08 Prozent. Es kämen in dem System insgesamt aber noch weitere Verluste hinzu, gibt Achten zu Bedenken, etwa in Kugellagern. Die Tests zeigen also: Floating-Cup-Pumpen eignen sich für WEA-Getriebe.
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