Schleifring für kryogene Turbulenztests

Die französische Kommission für alternative Energien und Atomenergie (CEA) verwendet eine elektrische Drehdurchführung (Schleifring), die von Servotecnica speziell für den Einsatz in kryogenen Turbulenztests im Rahmen des SHREK-Experiments (Superfluid high REynolds von Kármán) entwickelt wurde. Der Schleifring von Servotecnica musste die Signale der Drehmomentmessgeräte so übertragen, dass das Reibungsmoment der Bürsten auf den Ringen die Messungen nicht beeinträchtigte.

CEA is a key player in research, development and innovation across four principal areas: defence and security; low carbon energies (nuclear and renewable energies); technological research for industry; and fundamental research in physical and life sciences. Drawing on its expertise, CEA actively participates in collaborative projects with a large number of academic and industrial partners. The organisation has nine facilities spread throughout France, where it works in partnership with many other research bodies, local authorities and universities.

Einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte des CEA ist die Turbulenz, ein für die Praxis sehr wichtiges Phänomen. Sehr unterschiedliche Probleme haben ihren Ursprung in der Turbulenz; eine Vielfalt, die auf ein mangelndes Verständnis auf globaler Ebene zurückzuführen ist. Im Vergleich dazu reichen Druck, Temperatur und Dichte aus, um den Ruhezustand eines Gases zu beschreiben, trotz der unüberschaubaren Komplexität molekularer Zusammenstöße. Eine einfache Hypothese wie das molekulare Chaos gibt es in der Turbulenz jedoch nicht. Stattdessen sind vollständige Geschwindigkeitsfeldberechnungen erforderlich. Könnten solche Berechnungen vermieden und durch Zufallsstichproben mit all diesen Korrelationen ersetzt werden, wäre die Zeitersparnis enorm, ein potenzieller Vorteil, der das CEA dazu veranlasste, diese Forschungsarbeiten in Angriff zu nehmen.

In der Abteilung für niedrige Temperaturen (SBT) des CEA wurden spezielle Apparaturen gebaut, um Turbulenzen von der Umgebungstemperatur bis zu Temperaturen von 1,6 K (in flüssigem Helium) zu untersuchen. Die von-Kármán-Strömung wird in einer zylindrischen Zelle mit einer Höhe von 1,16 m und einem Durchmesser von 0,78 m erzeugt. Die Strömung wird durch zwei beschaufelte Scheiben mit einem Durchmesser von je 0,72 m erzeugt. Ein kaltes Drehmomentmessgerät wird so nah wie möglich an das Laufrad herangeführt, um genaue Drehmomentmessungen zu erhalten.

Das SHREK-Experiment erfordert präzise und komplexe Messgeräte, die in der Regel nicht als Standardlösungen erhältlich sind. Daher sind maßgeschneiderte Systeme erforderlich. Ein Beispiel dafür ist das bereits erwähnte kalte Drehmomentmessgerät, bei dem es sich im Wesentlichen um ein industrielles Drehmomentmessgerät handelt, das für den Betrieb bei den für kryogene Experimente erforderlichen außergewöhnlich niedrigen Temperaturen modifiziert wurde.

Es war wichtig, dass die sehr niedrigen Messwerte des kalten Drehmomentmessgeräts nicht durch das Drehmoment von kinematischen Bauteilen wie Lagern oder Getrieben beeinflusst wurden. Aus diesem Grund entwickelte SBT ein eigenes Kaltmomentmessgerät mit mechanischen und elektrischen Komponenten, die für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen optimiert sind. Zu diesen Bauteilen gehört der spezielle Schleifring, über den die Signale des Drehmomentmessers ohne Einfluss der Ringbürstenreibung übertragen werden müssen.

Servotecnica machte sich daran, einen maßgeschneiderten rahmenlosen Schleifring zu spezifizieren, der nur die 12 ABS-Ringe, die Welle und die Bürstenhalter umfasste; das Lager wurde weggelassen, da sein Fettschmiermittel den niedrigen Temperaturen nicht standhalten würde (eine alternative Lösung wurde implementiert). Darüber hinaus wurden die Schleifringdrähte mit Teflon isoliert. Diese kostengünstige Lösung ermöglichte eine schnelle und einfache Integration in den SHREK-Versuchsapparat.

Was die Leistung des Schleifrings betrifft, so zeigten die ersten Tests bei 4,2 K (-269 °C) einen normalen Betrieb für eine Stunde bei einer maximalen Drehzahl von 90 U/min. Wichtig ist, dass kein sichtbarer Materialverschleiß beobachtet wurde.

Die Wahl des Kontaktmaterials ist von grundlegender Bedeutung für die Leistung eines Schleifrings. Eine geeignete Verschleißfestigkeit ist von entscheidender Bedeutung, vor allem unter kryogenen Bedingungen. Eine sich verschlechternde Kontaktfläche könnte die Übertragung von Drehmomentsignalen während der Tests bei SBT beeinträchtigen. Darüber hinaus könnte ein vorzeitiger Verschleiß zu einer möglichen Beschädigung des Systems führen, was sich im Falle der für das SHREK-Experiment entwickelten maßgeschneiderten Vorrichtung als äußerst kostspielig erweisen würde. In einer weiteren Materialfrage wurde festgestellt, dass die besten Ergebnisse mit vergoldeten Oberflächen erzielt würden, um einen niedrigen Kontaktwiderstand und geringe Geräuschentwicklung zu erreichen.

Die Betriebsbedingungen waren ein weiterer wichtiger Aspekt für die Ingenieure von Servotecnica. Das Vorhandensein solch niedriger Temperaturen trug dazu bei, Probleme zu erkennen, wie z. B. die Unfähigkeit von Standard-Lagerfett, wie erforderlich zu funktionieren. Ein weiterer Faktor war die Ausrichtung, d. h. ob der Schleifring während des Betriebs vertikal oder horizontal montiert werden sollte (die SHREK-Versuchsvorrichtung erforderte einen vertikalen Schleifring). Je nachdem, in welcher Ebene der Schleifring montiert wird, sind besondere mechanische Vorkehrungen zu treffen, die typischerweise Komponenten wie Gehäuse und Lager betreffen.

Trotz der technischen Herausforderungen, die mit der Lieferung eines Schleifrings für diese anspruchsvolle Anwendung verbunden sind, beschreibt Servotecnica seine Lösung als relativ einfach. Dadurch konnte der Schleifring innerhalb einer kurzen Vorlaufzeit an den Kunden geliefert werden. Dieser Faktor erwies sich als wichtig, da SBT sein kaltes Drehmomentmessgerät bereits entwickelt hatte und auf den Schleifring wartete, um mit den Tests zu beginnen.

Nach der Installation des Schleifrings haben die Experimente zur Lösung wichtiger technologischer Herausforderungen im Zusammenhang mit Turbulenzen geführt, darunter Sicherheitsfragen, der Antrieb großer Laufräder und die Wärmeabfuhr unter unterkühlten superfluiden Bedingungen. Darüber hinaus wurden die größten Reynoldszahlen (Re), die jemals in einer von Kármán-Zelle erreicht wurden, sowohl unter normalen als auch unter suprafluiden Bedingungen erzielt (die Re-Zahl ist eine wichtige dimensionslose Größe in der Strömungsdynamik, die hilft, Strömungsmuster in verschiedenen Situationen vorherzusagen). Entscheidend ist, dass die Drehmomentmessungen unter diesen Bedingungen mit denen übereinstimmen, die in Wasserzellen mit ähnlichem Seitenverhältnis durchgeführt wurden, bei denen die Re-Zahl viel kleiner ist (zwei Größenordnungen kleiner als bei SHREK).