4.3 Aufbau und Funktionsweise
4.3.2 Pumpe
An die Pumpe des variablen Auftriebstrimmsystems werden besondere Anspr¨uche ge-stellt. Sie muss einen Differenzdruck von 600 bar bei einem m¨oglichst vertretbaren Vo-lumenstrom erzeugen k¨onnen sowie weiterhin in der Lage sein, an der Saugseite auch Unterdruck gegen¨uber dem die Pumpe umgebenden Druck zu erzeugen. Dies ist wichtig, um das Vakuum in dem Druckk¨orper aufrecht zu erhalten, damit dieser auch bei atmo-sph¨arischem Normaldruck immer fest verschlossen bleibt. Eine nicht zu vernachl¨assigende Anforderung betrifft die maximale Baugr¨oße der Pumpe. Da sie in den Druckk¨orper in-tegriert werden soll, der zugleich auch das Trimmvolumen enth¨alt, resultiert eine kleine Baugr¨oße von m¨oglichst weniger als einem Liter.
Dr¨ucke von mehr als 300 bar, wie sie in dem Auftriebstrimmsystem ben¨otigt werden, k¨onnen nur von Kolbenpumpen erzeugt werden. Dabei wird ein Kolben in einem Zylinder bewegt, der ventilgesteuert die Hydraulikfl¨ussigkeit ansaugt und w¨ahrend der Hubbewe-gung aus dem Zylinder heraus dr¨uckt. Die Ventile sorgen daf¨ur, dass die Fl¨ussigkeit bei der Senkbewegung des Kolbens von der Ansaugseite der Pumpe einstr¨omt und bei der Hubbewegung auf der Druck- oder Ausstr¨omseite wieder austritt. Kolbenpumpen sind zumeist als Axial- oder Radialkolbenpumpen aufgebaut.
Abbildung 4-8 zeigt den schematischen Aufbau einer Axialkolbenpumpe. Das Antriebsmo-ment der Pumpe wirkt dabei auf eine Schr¨agscheibe, die bei der Rotation eine Axialkraft auf die Kolben aus¨ubt. R¨uckholfedern an jedem Kolben sorgen daf¨ur, dass jeder Kolben
Kugelgelenk-gleitschuh
Kolbentrommel-steuerspiegel
Schrägscheibe
Kolbentrommel Kolben
Abb. 4-8 Funktionsschema einer Axialkolbenpumpe (¨uberarbeitet nach [Axi10])
immer auf der Schr¨agscheibe l¨auft. Die R¨uckholkraft ist also immer abh¨angig von der Federkraft der R¨uckholfedern. Der Kolbentrommelsteuerspiegel steuert die Str¨ omungs-richtung der Fl¨ussigkeit.
Die Firma HydroLEDUC GmbH stellt sehr kleine und leichte (0,3 kg) aber zugleich leis-tungsstarke Axialkolbenpumpen her. Die Micropumpe PB33HP ist in der Lage, einen Druck von 1.000 bar bei einem Volumenstrom von 45 cm3 min−1 bei 1.000 Umdrehungen pro Minute zu erzeugen [Hyd10]. Eine Pumpe des gleichen Typs, jedoch mit geringe-rer Pumpleistung kommt im Seaglider als Hydraulikpumpe f¨ur das Auftriebssystem zum Einsatz [Eri01]. Der Nachteil dieser Pumpen besteht in dem schlechten Ansaugverhalten, welches auf der geringen Kraft der R¨uckholfedern beruht. Im Seaglider wird deshalb eine zus¨atzliche Zahnradpumpe benutzt, die f¨ur einen konstanten Druck an der Saugseite der Axialkolbenpumpe sorgt.
Da w¨ahrend des Pumpvorgangs in dem geschlossenen Druckk¨orper immer ein sich ver-gr¨oßernder Unterdruck entsteht, muss die Pumpe gegen einen Unterdruck an der Saugseite arbeiten. Daf¨ur sind die meisten kommerziellen Axialkolbenpumpen nicht ausgelegt, da sie f¨ur den Betrieb in einem offenen Fl¨ussigkeitsbeh¨alter bei atmosph¨arischen Druck aus-gelegt sind. In dieser Betriebsart herrscht nie ein Unterdruck auf die Saugseite der Pumpe.
Bei einem geschlossenen Geh¨ause, das heißt, wenn die Saugleitung direkt mit dem Pum-praum des Kolben verbunden ist, muss die Pumpe im Auftriebstrimmsystem immer genau dann Saugarbeit leisten, wenn der Kolben sich zur¨uckzieht. Diese Arbeit muss durch die R¨uckholfedern geleistet werden. Sind diese zu schwach, ist es der Kolbenpumpe nicht m¨oglich, das gesamte Volumen anzusaugen, was dazu f¨uhren kann, dass sie nicht die volle
Kolben
Exzenter Rückholfeder
Einlassventil Auslassventil
Antriebswelle
Abb. 4-9 Funktionsschema einer ventilgesteuerten Radialkolbenpumpe (¨uberarbeitet nach [Rad10])
Abb. 4-10 Schematische Darstellung des verwendeten HAWE-MPE 4 Pumpenelements [Haw02]
Leistung erbringt oder im Extremfall gar nicht mehr pumpt.
Diesem speziellen Problem kann entgegen gewirkt werden, indem das Pumpengeh¨ause beispielsweise durch eine Bohrung mit dem umgebenden Fl¨ussigkeitsvolumen verbunden wird. Dadurch herrscht im Pumpengeh¨ause und somit auf die Kolben der gleiche Druck wie im Inneren des geschlossenen Druckk¨orpers. Bei dem R¨uckholen des Kolbens durch die R¨uckholfedern muss nun keine Saugarbeit mehr verrichtet werden, weil der Kolben genau das Volumen in dem offenen Pumpengeh¨ause und somit im Druckk¨orper verdr¨angt, welches auch angesaugt wird. Erst bei der Hubbewegung des Kolbens wird das angesaugte Fl¨ussigkeitsvolumen aus dem Druckk¨orper verdr¨angt und somit der Unterdruck erh¨oht.
elektrischer Antriebsmotor
Pumpenelemente
Exzenter Exzenterlager
Drucksammelplatte
Führungsring für den Einbau in den Druck-körper
SWAGELOK Anschluss
Abb. 4-11 Explosionsansicht des Pumpensystem
Die Axialkolbenpumpe PB33HP kostet mit den n¨otigen Modifikationen ¨uber 1.900 Euro und stellt somit das kostenintensivste Bauteil in dem variablen Auftriebstrimmsystem dar. Um die Entwicklungskosten zu senken, wurde daher nach Alternativen gesucht.
Eine Alternative bieten die Radialkolbenpumpen der Firma HAWE Hydraulik SE. Bei Radialkolbenpumpen werden die Kolben nicht durch eine Schr¨agscheibe angetrieben, son-dern durch einen Exzenter, um den herum die Pumpenelemente angeordnet sind (siehe Abbildung 4-9). Da die angebotenen Pumpen zwar g¨unstig im Vergleich zu HydroLEDUC sind, aber relativ massiv aufbauen, wurde beschlossen, eine Radialkolbenpumpe mit Hilfe von Pumpelementen der Fa. Hawe selber zu konstruieren und aufzubauen.
Jedes der Pumpenelemente ist in der Lage, einen Druck von 700 bar bei einem Volumen-strom von 62 cm3 min−1 bei 1.000 Umdrehungen pro Minute zu erzeugen [Haw02]. Zwei Pumpenelemente w¨urden also zu einem Volumenstrom von 124 cm3 min−1 f¨uhren. Ein Fl¨ussigkeitsvolumen von drei Litern k¨onnte somit in 24 Minuten aus dem Druckk¨orper gepumpt werden. Die Pumpenelemente verf¨ugen ¨uber zwei R¨uckschlagventile, ¨uber die der Volumenstrom gesteuert wird (siehe Abbildung 4-10).
Um die zwei Pumpenelemente um den Exzenter herum montieren zu k¨onnen und die Druckleitungen der beiden Elemente zu verbinden, wurde eine Drucksammelplatte herge-stellt. Sie dient weiterhin dazu, den elektrischen Antriebsmotor f¨ur die Pumpe sowie den F¨uhrungsring aufzunehmen (siehe Abbildung 4-11).
Abb. 4-12 Druckneutraler Antriebsmotor f¨ur die Hydraulikpumpe
Der offene in der Trimmfl¨ussigkeit betriebene Aufbau erm¨oglicht das Ansaugen der Fl¨ ussig-keit, ohne die R¨uckholfedern zu belasten. Sie werden nur durch die Kraft belastet, die n¨otig ist, das R¨uckschlagventil an der Saugseite zu ¨offnen.
Der Leistungsbedarf der Radialkolbenpumpe kann ¨uberschlagsm¨aßig nach dem Datenblatt der Pumpenelemente berechnet werden [Haw02]. Demnach wird die n¨otige Antriebsleis-tung PkW an der Pumpenwelle nach
PkW = pbar Ql/min k
600 ηt (4-11)
berechnet. Dabei stellt pbar den Druck in bar, gegen den die Pumpe arbeiten soll, dar.
Das F¨ordervolumen Ql/min berechnet sich nach F¨orderstromkennzeichen mal nx/1450 wo-bei nx die Drehzahl ist, mit der die Pumpe betrieben wird. Das F¨orderstromkennzeichen ist f¨ur die Pumpenelemente mit 0,09 l min−1 angegeben. Die Pulsation der Pumpe wird durch den theoretischen Faktor k ber¨ucksichtigt. Bei Pumpen mit zwei Pumpenelemen-ten betr¨agt er 1,4. Der Gesamtwirkungsgrad ηT der Pumpe wird mit 0,83 angegeben.
Demnach resultiert ein Leistungsbedarf f¨ur ein Pumpenelement bei einer Drehzahl von 1.000 u min−1 und einem Arbeitsdruck von 600 bar von 104 W. F¨ur die gesamte Pumpe resultiert also eine n¨otige Wellenleistung von 208 W.
Als Antriebmotor wird ein zweistr¨angiger permanent erregter Synchronmotor eingesetzt
Abb. 4-13 Fertig montierte Radialkolbenpumpe f¨ur das Auftriebstrimmsystem
(siehe Abbildung 4-12). Dieser Motor wurde eigens f¨ur die Pumpe des Auftriebstrimm-systems von der Fa. Enitech GmbH entwickelt und gebaut. Die Nenndrehzahl liegt bei 1.000 u min−1 bei der eine Wellenleistung von 500 W abgegeben werden kann. Der Motor ist so konstruiert, dass er direkt in der Trimmfl¨ussigkeit arbeiten kann, solange es sich nicht um ein korrosives Medium handelt. Die besonders robuste Bauweise des vorderen Lagers erlaubt es, den Exzenter f¨ur die Radialkolbenpumpe ohne zus¨atzliche Lagerung auf der Motorwelle zu befestigen. Alle entstehenden Kr¨afte werden durch das vordere Lager aufgenommen, was nochmals zu einer Reduzierung des Gesamtvolumens der in Abbildung 4-13 gezeigten Pumpenbaugruppe f¨uhrt.