Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Spezifischer Nachteil des Strahlens mit festem Kohlendioxid ist die hohe L\u00e4rmbelastung. Dort, wo der mit hoher Str\u00f6mungsgeschwindigkeit austretende Kernstrahl auf die ruhende Umgebungsluft trifft, werden starke Turbulenzen verursacht. Diese sind hauptverantwortlich f\u00fcr die Ger\u00e4uschentstehung. Mit hohen Strahldr\u00fccken werden beim Trockeneisstrahlen gesundheitssch\u00e4dliche Schalldruckspegel von bis zu 130 dB (A) erreicht, auch im Bereich nicht h\u00f6rbarerer Frequenzen treten hohe Schalldruckpegel auf. Bisherige Schutzma\u00dfnahmen gegen L\u00e4rmemission beim Strahlen mit festem CO2 basieren auf organisatorischen Schutzma\u00dfnahmen durch Umhausung des gesamten Systems mit Schallschutzeinrichtungen oder durch pers\u00f6nliche Schutzma\u00dfnahmen unter Verwendung von Kapselgeh\u00f6rschutz. In dem vorliegen Forschungsvorhaben sollen technische Schutzma\u00dfnamen zur Vermeidung der L\u00e4rmentstehung entwickelt und umgesetzt werden. Dadurch lassen sich die Vorteile des Verfahrens im Hinblick auf die Flexibilit\u00e4t und die Sublimation des Strahlmittels z. B. durch den Einsatz von In-Line-Reinigungsprozessen erschlie\u00dfen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZuerst werden relevante Anwendungsbereiche des Strahlens mit festem CO2 und die einzuhaltenden Schallgrenzwerte ermittelt. Die str\u00f6mungstechnische Optimierung einer Standardd\u00fcse sowie deren schalltechnische Analyse mittels akustischer Kamera stellen den ersten Schritt des technologischen Teils dieses Forschungsvorhabens dar. Ziel dabei ist es, Kenntnisse \u00fcber die Mechanismen der Schallentstehung im Bereich der Strahld\u00fcsenkonstruktion bereitzustellen. Diesen wird mit entsprechenden konstruktiven Ma\u00dfnahmen entgegengewirkt, ohne die Leistung der Strahld\u00fcsen signifikant herabzusetzen. Mittels CFD-Simulation werden diese Ma\u00dfnahmen im Hinblick auf ihre Tauglichkeit zum Strahlen mit festem CO2 \u00fcberpr\u00fcft. Nach der Bewertung und Auswahl der D\u00fcsenvarianten, werden diese mit Hilfe des Rapid Prototyping Verfahrens selektives Lasersintern (SLS) hergestellt. Mit Hilfe von Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera werden die mit den verschiedenen Strahld\u00fcsenvarianten erreichten Strahlmittelgeschwindigkeiten ermittelt und so die Ergebnisse der CFD-Simulation \u00fcberpr\u00fcft. Anhand von Schallpegelmessungen und Frequenzanalysen werden die entwickelten D\u00fcsen der Standardd\u00fcse gegen\u00fcbergestellt und Erkenntnisse \u00fcber die Schallemission einzelner Konstruktionsmerkmale gewonnen, die bei der weiteren Entwicklung von l\u00e4rmreduzierten Strahld\u00fcsen von Nutzen sind. Dar\u00fcber hinaus erfolgt die \u00dcberpr\u00fcfung und Bewertung der Leistungsf\u00e4higkeit.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes wurden L\u00e4rmminderungsma\u00dfnahmen an Strahld\u00fcsen f\u00fcr das Trockeneisstrahlen entwickelt. Aufgrund des weichen Strahlmittels, Trockeneis, sind hohe Strahlgeschwindigkeiten notwendig, um eine Reinigungsleistung zu erzielen, wodurch wiederum hohe Schallpegel entstehen. In einem ersten Schritt wurde die vorhandene Standardstrahld\u00fcse str\u00f6mungstechnisch optimiert. Hierzu wurde die numerische Str\u00f6mungssimulation (CFD) eingesetzt. Die str\u00f6mungstechnisch verbesserte D\u00fcse stellte die Basis f\u00fcr die Umsetzung unterschiedlicher L\u00e4rmminderungskonzepte dar. Es flossen sowohl Ans\u00e4tze aus der Druckluft als auch aus dem Triebswerksbau in die Entwicklung ein. Bei der Umsetzung der L\u00e4rmminderungskonzepte war es notwendig, die Geometrien der D\u00fcsenaustrittskanten an den jeweiligen Str\u00f6mungsverlauf anzupassen. In diesem Fall kam wiederum die CFD zum Einsatz. Mit Hilfe der Simulation k\u00f6nnen Parameter schnell ge\u00e4ndert und \u00fcberpr\u00fcft werden. Dar\u00fcber hinaus erm\u00f6glicht die Simulation die \u00dcberpr\u00fcfung unterschiedlicher Geometrien und reduziert somit den Aufwand von Untersuchungen unter realen Bedingungen. Die f\u00fcr die Simulation notwendigen CAD-Daten konnten gleichzeitig f\u00fcr den Herstellungsprozess der Prototypen verwendet werden. Die Umsetzung der L\u00e4rmminderungskonzepte in Strahld\u00fcsenprototypen erfolgte mit dem Selektiven Lasersintern (SLS). Mit dem SLS-Verfahren k\u00f6nnen Prototypen in einer angemessenen Zeit gefertigt und dabei auch komplexe Geometrien, wie beispielsweise eine M\u00e4andergeometrie, erzeugt werden. Alle gefertigten Strahld\u00fcsenprototypen wurden der Standardd\u00fcse, welche ebenfalls mit SLS gefertigt wurde, um einen realen Vergleich der D\u00fcsen zu gew\u00e4hrleisten, hinsichtlich L\u00e4rmemission und Abtragsleistung gegen\u00fcbergestellt. Es zeigte sich, dass bereits die optimierte Standardd\u00fcse einen wesentlich geringeren Schallpegel aufweist. Bei den D\u00fcsen mit L\u00e4rmminderungskonzepten erwies sich die Chevrongeometrie als leiseste D\u00fcse. Beim Vergleich dieser beiden D\u00fcsen mit der Standardd\u00fcse-SLS bez\u00fcglich der Abtragsleistung wiesen die beiden erstgenannten D\u00fcsen eine deutlich h\u00f6here Abtragsleistung bei gleichzeitig reduziertem Schalldruckpegel auf. Beim Vergleich der D\u00fcsen bei gleichen Abtragsleistungen konnte so eine Reduzierung des Schalldruckpegels um mehr als 10 dB(A) erreicht werden. Des Weiteren sind die Standardd\u00fcse-opt. und die Chevrond\u00fcse aus fertigungstechnischer Sicht mit Abstand am einfachsten herzustellen. Die m\u00e4anderf\u00f6rmigen D\u00fcsen hingegen lassen Fertigungsverfahren schnell an ihre Grenzen sto\u00dfen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse des Projektes sind in erster Linie f\u00fcr den Bereich des Trockeneisstrahlens von Bedeutung. Neben der Vorstellung der Anlagentechnik und der erreichten Verbesserungen auf dem Industriearbeitskreis Trockeneisstrahlen, bei dem sich die Branche regelm\u00e4\u00dfig zum Erfahrungsaustausch trifft, sind weitere Ver\u00f6ffentlichungen und Pr\u00e4sentationen geplant. Hier ist exemplarisch der Fraunhofer Innovationscluster MRO in Energie und Verkehr zu nennen, in dessen Rahmen eine internationale Konferenz f\u00fcr den Bereich Wartung, Instandhaltung und Reparatur vorgesehen ist. Insbesondere bei gro\u00dfen, nur aufwendig zu demontierenden Produkten wie bspw. Turbinen ist eine trockeneisbasierte Reinigung im montierten Zustand grunds\u00e4tzlich kosteng\u00fcnstig, aber bislang mit nicht vertretbaren L\u00e4rmbelastungen verbunden.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Eine L\u00e4rmminderung durch speziell geformte D\u00fcsenaustrittskanten ist nur in einem gewissen Rahmen m\u00f6glich. Die aus der Luft- und Raumfahrt \u00fcbertragenden Konzepte, wie die M\u00e4ander- und Chevrond\u00fcse, haben jedoch bei einem Strahlverfahren, deren Aufgabe es ist, Oberfl\u00e4chen zu bearbeiten, nur eine begrenzte Wirkung. Wie gezeigt werden konnte, kann der Schallpegel im Freistrahl reduziert werden. Beim Auftreffen auf eine Oberfl\u00e4che hingegen entstehen wiederum andere Schallpegel. Der Einsatz dieser D\u00fcsenaustrittskante beispielsweise bei Treibwerken ist durchaus sinnvoll, da hier der entstehende Strahl nicht auf ein Hindernis trifft. Als Strahld\u00fcse sind diese Konzepte, nicht zuletzt aufgrund des hohen fertigungstechnischen Aufwandes, nur bedingt von Vorteil. Deutlich wurde auch, dass die str\u00f6mungstechnische Auslegung einer Strahld\u00fcse einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung und somit auch auf die L\u00e4rmentstehung hat. F\u00fcr die str\u00f6mungstechnische Optimierung konnte die numerische Str\u00f6mungssimulation (CFD) erfolgreich eingesetzt werden. Durch die Nutzung der CFD konnte sowohl die Entwicklungszeit als auch die Anzahl der unter realen Bedingungen zu testenden Prototypen erheblich reduziert werden. Dies stellt einen bedeutenden Vorteil gegen\u00fcber der zurzeit \u00fcblichen Vorgehensweise dar. Die entwickelte optimierte Standardd\u00fcse \u00fcbertrifft die Leistung gegen\u00fcber der Standardd\u00fcse bei gleichzeitig reduzierter L\u00e4rmemission.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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