- Ruhr-Universität Bochum

Adaptive Volumenstromschätzung von Exzenterschneckenpumpen

Abbildung 1: Rotierender Rotor im transparent dargestellten Stator einer Exzenterschneckenpumpe. Es ist gut zu erkennen, dass Dichtlinien das
Fluid von der Saugseite zur Druckseite transportieren.

Exzenterschneckenpumpen gehören zur Gruppe der Verdrängerpumpen und basieren auf dem Prinzip, eine bestimmte Menge Fluid zu kapseln und von der Saugseite auf die Druckseite der Pumpe zu befördern.

Exzenterschneckenpumpen sind in der Lage, hochviskose und mehrphasiger Fördermedien bei hohen Drücken zu fördern. Diese Eigenschaft qualifiziert sie unter anderem für den Einsatz in der Lebensmittel- und der Kosmetik-Industrie.

Während des Betriebs passiert ein Teil des transportierten Fluides die in Abbildung 1 dargestellten Dichtlinien und fließt entgegen der Förderrichtung zurück zur Saugseite. Der tatsächliche Volumenstrom Q einer Exzenterschneckenpumpe ergibt sich folglich aus dem drehzahl- und geometrieabhängigem idealen Volumenstrom Q_i und dem sogenannten Leckagevolumenstrom Q_L zu Q = Q_i − Q_L. Durch die ständige Reibung zwischen Rotor und Stator während des Betriebs kommt es zum Verschleiß beider Kontaktpartner, was den Volumenstrom der Pumpe reduziert.

Unser Forschungsteam entwickelt Algorithmen zur Volumenstromschätzung von Exzenterschneckenpumpen, die auch unter dem Einfluss von Verschleiß noch korrekte Ergebnisse liefern. Basis dieser Volumenstromschätzung bilden neue, detaillierte Modelle der Rotorbewegung während des Betriebs der Pumpe. Die Modellierung der Rotorbewegung erfolgt in Abhängigkeit der angreifenden Kräfte infolge des Gegendrucks der Pumpe.

Abbildung 2: Vereinfachte Darstellung des Rotors und der angreifenden Kräfte infolge des Gegendrucks der Pumpe in horizontaler x-Ebene und vertikaler y-Ebene. Die Bewegung der Kräfte resultiert aufgrund der veränderlichen Druckverhältnisse im Inneren der
Pumpe.

Der Rotor der Pumpe ist im Elastomer des Stators gelagert. Die Rotorkräfte werden vom Elastomer aufgenommen. Die Modellierung des Rotor-Stator-Kontaktes als Feder-Dämpfer System und die Aufstellung des Momentengleichgewichts ermöglichen das Aufstellen einer Differentialgleichung zur Beschreibung der betriebsabhängigen Rotorverkippung in beiden Ebenen.

Die Rotorbewegung in der x-Ebene beeinflusst den Gegendruck und die Rotorbewegung in der y-Ebene beeinflusst den Leckagevolumenstrom der Pumpe.

Diese Zusammenhänge zwischen der tatsächlichen Rotorbewegung (in der x- und y-Ebene) und den hydraulischen Prozessgrößen (Gegendruck und Volumenstrom) ermöglichen die adaptive Volumenstromschätzung, die auch unter Einfluss von Verschleiß noch korrekte Ergebnisse liefert.

Abbildung 3: Geschätzter und gemessener Volumenstrom einer neuen (schwarz) und einer verschlissenen Pumpe (rot). Es ist zu erkennen, dass der Schätzalgorithmus auch für die verschlissene Pumpe noch korrekte Ergebnisse liefert.