Untersuchung der Zweiphasenströmung in einer hydrodynamischen Kupplung

Hydrodynamische Kupplungen werden zur Kraftübertragung in Hochleistungsantriebssystemen eingesetzt. So findet man diese zum Beispiel in Kraftwerken zur Kopplung von Turbine und Generator oder in Antrieben für Schiffe und Schienenfahrzeuge. Die komplexen Strömungszustände innerhalb einer Kupplung im laufenden Betrieb zu vermessen, stellte dabei bisher eine nahezu unmögliche Aufgabe dar.

Die hydrodynamische Kupplung besteht aus zwei Laufrädern mit einer Vielzahl von Kammern. Das Betriebsfluid zirkuliert zwischen den Kammern des Pumpenläufers und des Turbinenläufers und überträgt so Drehimpuls auf den Turbinenläufer. Die Darstellung bzw. Vermessung  der Strömung in einer solchen Kupplung ist sehr kompliziert. Die hohe Drehzahl der Pumpe, das Metallgehäuse sowie ein komplexe Zweiphasenströmung in der Pumpe erschweren den Zugang mit konventioneller Messtechnik.

Mit Hilfe des Gammatomographen lässt sich die Verteilung der Betriebsflüssigkeit in einer hydrodynamischen Kupplung in scharfen dreidimensionalen Bildern darstellen. Der Gammatomograph durchstrahlt die Kupplung senkrecht in frei wählbaren Ebenen. Die Datenaufnahme des Gammastrahlendetektors ist in geeigneter Weise mit der Drehbewegung der Kupplung synchronisiert, so dass mit dem System winkelsynchron gemittelte radiographische Projektionen der Dichteverteilung über einen Messzeitraum von mehreren Minuten akquiriert werden können. Mit Hilfe der tomographischen Bildrekonstruktion und geeigneter Referenzmessung an leerer und gefüllter Kupplung konnte die Betriebsfluidverteilung im der Kupplung dreidimensional und mit ca. 2 mm räumlicher Auflösung sichtbar gemacht werden.

Da die Erfassung schnell veränderlicher Strömungsmuster sowie die Messung von Fluidgeschwindigkeiten mittels Gammatomographie nicht möglich ist, wurde ein neuartiger bildgebender Oberflächensensor entwickelt, der innerhalb der Kupplung zum Einsatz kommt. Es handelt sich dabei um einen Leitfähigkeitssensor, der als dünne Platine, an die Innenwand einer Kupplungskammer angebracht werden kann. Der Sensor ist mit einer Messelektronik verbunden, die auf das Kupplungsgehäuse montiert ist und mit dem Pumpenläufer rotiert. Dieser Sensor erzeugt kontinuierlich scharfe Bilder der Flüssigkeitsverteilung an der Kupplungskammerwand mit einer Rate von 10.000 Bildern pro Sekunde. Damit lassen sich sehr gut dynamische Strömungsvorgänge in der Kupplung analysieren.

Die Daten der Strömungsmessungen werden durch den Hersteller der hydrodynamischen Kupplungen, die Voith Turbo GmbH & Co. KG, zur Optimierung des Kupplungsdesigns und zur Validierung von CFD-Rechnungen verwendet.

Publikationen

• D. Hoppe, U. Hampel, C. Zippe, H.-M. Prasser, R. Kernchen
  Tomografische Rekonstruktion zweier asynchron rotierender Objekte am Beispiel einer hydrodynamischen Kupplung
  Technisches Messen, 71, pp. 634-639, 2004.

• U. Hampel, D. Hoppe, K.-H. Diele, J. Fietz, H. Höller, R. Kernchen, H.-M. Prasser, C. Zippe
  Application of gamma tomography to the measurement of fluid distributions in a hydrodynamic coupling
  Flow Measurement and Instrumentation 16, pp. 85-90, 2005.

• Da Silva, M. J.; Sühnel, T.; Thiele, S.; Schleicher, E.; Hampel, U.; Kernchen, R.
  Electrical conductivity surface sensor for two-phase flow imaging in a hydrodynamic coupling
  Proceedings of 6th International Conference on Multiphase Flow, paper PS7_12, 2007.

• U. Hampel, D. Hoppe, A. Bieberle, R. Kernchen, K.-H. Diele, E. Schleicher, M. J. da Silva, C. Zippe
  Measurement of fluid distributions in a rotating fluid coupling using high resolution gamma ray tomography
  Journal of Fluids Engineering, 2007, submitted.