Kolbenpumpe

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
Mechanische Arbeit	Druck	Thermische Energie (Reibungswärme)

Kurzbeschreibung

Zunehmende Anwendung sind verursacht wegen:

Eignung für hohe Drücke bei gutem volumetrischen Wirkungsgrad
guter hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad
Verstellbarkeit des Hubvolumens (vom Pronzip her)
gleich gute Eignung für Pumpen und Motoren

Pumpen haben in der Regel mehrere parallel wirkende Zylinder, deren Förderströme sich addieren. Die Pulsation des Gesamtförderstroms (Ungleichförmigkeitsgrad) nimmt mit steigender Kolbenzahl ab, von 14 % bei 3 Kolben auf 1,5 % bei 9 Kolben. Gerade Kolbenzahlen führen zu erheblich größerer Ungleichförmigkeit als ungerade. Durch laufende Entwicklungen sollen die relativ hohe Geräuschemission und die konstruktionsbedingt höhteren Kosten reduziert werden. Kostendegression ist zu erreichen durch Fertigungsentwicklung und Anpassung der Konstruktion an das Anwendungsspektrum. Die Anwendung neuartiger Werkstoffe wird untersucht. Verstellung des Hubvolumens zunehmend durch elektrohydraulische Stellsysteme.

Funktionsskizze

Konwiki at German Wikipedia, Kpumpau, CC BY-SA 3.0

https://de.wikipedia.org/wiki/Hubkolbenpumpe#/media/Datei:Kpumpan.png

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

$V_{Schr\"{a}gachsen} = 0,5 \cdot z \cdot \Pi \cdot d^2_K \cdot r_{Sa \cdot sin (\Alpha)$

$V_{Schr\"{a}gachsen, Taumelscheiben} = 0,5 \cdot z \cdot \Pi \cdot d^2_K \cdot r_{Ss,Tsa \cdot tan(\Alpha)$

$V_{Kolben} = 0,25 \cdot z \cdot \Pi \cdot d^2_K \cdot 2e$

Wirkungsgrad abhängig von der Drehzahl und dem Druckverhältnis

Bauarten

Hubkolbenmaschine (Reihen-/Taumelscheiben-Axial-/Schrägscheiben-Axial-/Radial-Kolbenpumpen)
Winkelachsiger Verdränger (Schrägachsen-Axialkolbenpumpe)

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Taumelscheiben- Axialkolbenpumpe	Radialkolben- pumpe	Schrägscheiben- Axialkolbenpumpe	Reihenkolben- pumpe	Schrägachsen- Axialkolbenpumpe
Typisches Lastprofil Energieeingang (Endenergie)	variabel	variabel	variabel	variabel	variabel
Typisches Lastprofil Energieeingang (Nutzenergie)	variabel	variabel	variabel	variabel	variabel
Typische Anfahrzeiten	<1 sek	<1 sek	<1 sek	<1 sek	<1 sek
Regelbarkeit	ja	ja	ja	ja	ja
Wandlungsrichtung umkehrbar?	ja	nein	ja	nein	ja
Weitere Betriebscharakteristika	oszillierend, ventil-/weggesteuert	oszillierend, ventil-/weg- gesteuert	geschlossener Kreislauf, oszillierend, ventil-gesteuert	k.A.	offener Kreislauf, oszillierend, weggesteuert

Energetische Kennwerte

Bauart	Taumelscheiben- Axialkolbenpumpe	Radialkolben- pumpe	Schrägscheiben- Axialkolbenpumpe	Reihenkolben- pumpe	Schrägachsen- Axialkolbenpumpe
Nennleistung oder vergleichbarer Wert	von: – Bar / 3 cm³ bis: 250 Bar / 300 cm³	von: – / – bis: 700 Bar / 15 ltr	von: – Bar / 3 cm³ bis: 600 Bar / 3000 cm³	von: – /- bis: 1200 Bar / 100 cm³	von: – Bar / 4 cm³ bis: 500 Bar / 4000 cm³
Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Auslastung	Abhängigkeit vernachlässigbar
Nutzbarer Anteil an Verlustleistung vorhanden?	nein

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart

Taumelscheiben-
Axialkolbenpumpe

Radialkolben-
pumpe

Schrägscheiben-
Axialkolbenpumpe

Reihenkolben-
pumpe

Schrägachsen-
Axialkolbenpumpe

Investkosten/kW

1.000–3.000 €

spezifische Kosten in Euro/kW / Leistungsaufnahme in kW (Axialkolbenpumpen)

spezifische Kosten in Euro/kW / Leistungsaufnahme in kW (Radialkolbenpumpen)

Typische Lebensdauer/ Jahre

Kritische Komponente für die Lebensdauer sind Kolbenlagerung und die Lagerung der Wellen;
i.d.R. > 10.000 Betriebsstunden

Technologische Kennwerte

Bauart	Taumelscheiben- Axialkolbenpumpe	Radialkolben- pumpe	Schrägscheiben- Axialkolbenpumpe	Reihenkolben- pumpe	Schrägachsen- Axialkolbenpumpe
Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen)	zwei der oben genannten Aspekte
Gefährdungspotential (niedrige Drücke und Temperaturen, keine giftigen oder explosiven Stoffe)	geringes Gefährdungspotential
Systemkomplexität	robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen
Weitere technologische Kennwerte	k.A.	fürAnwendungen mit besonders hohen Anforderungen an Lebensdauer und Zuverlässigkeit	k.A.	k.A.	k.A.

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Energetischer Impact	Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger))
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
		Grad der Prozessentkopplung	Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess)
		Möglichkeit des Energieträgerwechsels	Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein)
		Umrüstaufwand	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Erschließungskosten der Maßnahme	Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden)
		Spezifische Wandlerkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Abrufkosten der Maßnahme	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)	sehr stark fallabhängig

Entwicklungstendenz

Forschungsprojekt: Untersuchung und Weiterentwicklung von Antriebsstrangkonzepten mobiler Arbeitsmaschinen

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

hohe Wirkungsgrade
hohe ertragbare Drücke
hohe Leistungen
bei kompakter Bauweise: hohe Dynamik → bessere Regelbarkeit
große Volumenströme

Nachteile

teilweise nur ein Hersteller
hohe Herstellkosten

Anwendungsbeispiele

Versorgung des Hydraulikkreislaufs bei mittleren bis großen Traktoren; Ölhydraulische stufenlose Traktorengetriebe (Fendt, Vario, …)

Literaturverzeichnis

Matthies, Hans Jürgen; Renius, Karl Theodor (1984): Einführung in die Ölhydraulik. Teubner-Verlag, Stuttgart

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht