Projekt 25529/01

Reduzierung der Schallemission beim Strahlen mit festem Kohlendioxid

Projektträger

Otto Littmann Maschinenfabrik Präzisionsmechanik GmbH
Oehleckerring 32
22419 Hamburg
Telefon: 040/53296-210

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Spezifischer Nachteil des Strahlens mit festem Kohlendioxid ist die hohe Lärmbelastung. Dort, wo der mit hoher Strömungsgeschwindigkeit austretende Kernstrahl auf die ruhende Umgebungsluft trifft, werden starke Turbulenzen verursacht. Diese sind hauptverantwortlich für die Geräuschentstehung. Mit hohen Strahldrücken werden beim Trockeneisstrahlen gesundheitsschädliche Schalldruckspegel von bis zu 130 dB (A) erreicht, auch im Bereich nicht hörbarerer Frequenzen treten hohe Schalldruckpegel auf. Bisherige Schutzmaßnahmen gegen Lärmemission beim Strahlen mit festem CO2 basieren auf organisatorischen Schutzmaßnahmen durch Umhausung des gesamten Systems mit Schallschutzeinrichtungen oder durch persönliche Schutzmaßnahmen unter Verwendung von Kapselgehörschutz. In dem vorliegen Forschungsvorhaben sollen technische Schutzmaßnamen zur Vermeidung der Lärmentstehung entwickelt und umgesetzt werden. Dadurch lassen sich die Vorteile des Verfahrens im Hinblick auf die Flexibilität und die Sublimation des Strahlmittels z. B. durch den Einsatz von In-Line-Reinigungsprozessen erschließen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZuerst werden relevante Anwendungsbereiche des Strahlens mit festem CO2 und die einzuhaltenden Schallgrenzwerte ermittelt. Die strömungstechnische Optimierung einer Standarddüse sowie deren schalltechnische Analyse mittels akustischer Kamera stellen den ersten Schritt des technologischen Teils dieses Forschungsvorhabens dar. Ziel dabei ist es, Kenntnisse über die Mechanismen der Schallentstehung im Bereich der Strahldüsenkonstruktion bereitzustellen. Diesen wird mit entsprechenden konstruktiven Maßnahmen entgegengewirkt, ohne die Leistung der Strahldüsen signifikant herabzusetzen. Mittels CFD-Simulation werden diese Maßnahmen im Hinblick auf ihre Tauglichkeit zum Strahlen mit festem CO2 überprüft. Nach der Bewertung und Auswahl der Düsenvarianten, werden diese mit Hilfe des Rapid Prototyping Verfahrens selektives Lasersintern (SLS) hergestellt. Mit Hilfe von Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera werden die mit den verschiedenen Strahldüsenvarianten erreichten Strahlmittelgeschwindigkeiten ermittelt und so die Ergebnisse der CFD-Simulation überprüft. Anhand von Schallpegelmessungen und Frequenzanalysen werden die entwickelten Düsen der Standarddüse gegenübergestellt und Erkenntnisse über die Schallemission einzelner Konstruktionsmerkmale gewonnen, die bei der weiteren Entwicklung von lärmreduzierten Strahldüsen von Nutzen sind. Darüber hinaus erfolgt die Überprüfung und Bewertung der Leistungsfähigkeit.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurden Lärmminderungsmaßnahmen an Strahldüsen für 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 Standardstrahldüse strömungstechnisch optimiert. Hierzu wurde die numerische Strömungssimulation (CFD) eingesetzt. Die strömungstechnisch verbesserte Düse stellte die Basis für die Umsetzung unterschiedlicher Lärmminderungskonzepte dar. Es flossen sowohl Ansätze aus der Druckluft als auch aus dem Triebswerksbau in die Entwicklung ein. Bei der Umsetzung der Lärmminderungskonzepte war es notwendig, die Geometrien der Düsenaustrittskanten an den jeweiligen Strömungsverlauf anzupassen. In diesem Fall kam wiederum die CFD zum Einsatz. Mit Hilfe der Simulation können Parameter schnell geändert und überprüft werden. Darüber hinaus ermöglicht die Simulation die Überprüfung unterschiedlicher Geometrien und reduziert somit den Aufwand von Untersuchungen unter realen Bedingungen. Die für die Simulation notwendigen CAD-Daten konnten gleichzeitig für den Herstellungsprozess der Prototypen verwendet werden. Die Umsetzung der Lärmminderungskonzepte in Strahldüsenprototypen erfolgte mit dem Selektiven Lasersintern (SLS). Mit dem SLS-Verfahren können Prototypen in einer angemessenen Zeit gefertigt und dabei auch komplexe Geometrien, wie beispielsweise eine Mäandergeometrie, erzeugt werden. Alle gefertigten Strahldüsenprototypen wurden der Standarddüse, welche ebenfalls mit SLS gefertigt wurde, um einen realen Vergleich der Düsen zu gewährleisten, hinsichtlich Lärmemission und Abtragsleistung gegenübergestellt. Es zeigte sich, dass bereits die optimierte Standarddüse einen wesentlich geringeren Schallpegel aufweist. Bei den Düsen mit Lärmminderungskonzepten erwies sich die Chevrongeometrie als leiseste Düse. Beim Vergleich dieser beiden Düsen mit der Standarddüse-SLS bezüglich der Abtragsleistung wiesen die beiden erstgenannten Düsen eine deutlich höhere Abtragsleistung bei gleichzeitig reduziertem Schalldruckpegel auf. Beim Vergleich der Düsen bei gleichen Abtragsleistungen konnte so eine Reduzierung des Schalldruckpegels um mehr als 10 dB(A) erreicht werden. Des Weiteren sind die Standarddüse-opt. und die Chevrondüse aus fertigungstechnischer Sicht mit Abstand am einfachsten herzustellen. Die mäanderförmigen Düsen hingegen lassen Fertigungsverfahren schnell an ihre Grenzen stoßen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des Projektes sind in erster Linie für den Bereich des Trockeneisstrahlens von Bedeutung. Neben der Vorstellung der Anlagentechnik und der erreichten Verbesserungen auf dem Industriearbeitskreis Trockeneisstrahlen, bei dem sich die Branche regelmäßig zum Erfahrungsaustausch trifft, sind weitere Veröffentlichungen und Präsentationen geplant. Hier ist exemplarisch der Fraunhofer Innovationscluster MRO in Energie und Verkehr zu nennen, in dessen Rahmen eine internationale Konferenz für den Bereich Wartung, Instandhaltung und Reparatur vorgesehen ist. Insbesondere bei großen, nur aufwendig zu demontierenden Produkten wie bspw. Turbinen ist eine trockeneisbasierte Reinigung im montierten Zustand grundsätzlich kostengünstig, aber bislang mit nicht vertretbaren Lärmbelastungen verbunden.


Fazit

Eine Lärmminderung durch speziell geformte Düsenaustrittskanten ist nur in einem gewissen Rahmen möglich. Die aus der Luft- und Raumfahrt übertragenden Konzepte, wie die Mäander- und Chevrondüse, haben jedoch bei einem Strahlverfahren, deren Aufgabe es ist, Oberflächen zu bearbeiten, nur eine begrenzte Wirkung. Wie gezeigt werden konnte, kann der Schallpegel im Freistrahl reduziert werden. Beim Auftreffen auf eine Oberfläche hingegen entstehen wiederum andere Schallpegel. Der Einsatz dieser Düsenaustrittskante beispielsweise bei Treibwerken ist durchaus sinnvoll, da hier der entstehende Strahl nicht auf ein Hindernis trifft. Als Strahldüse sind diese Konzepte, nicht zuletzt aufgrund des hohen fertigungstechnischen Aufwandes, nur bedingt von Vorteil. Deutlich wurde auch, dass die strömungstechnische Auslegung einer Strahldüse einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung und somit auch auf die Lärmentstehung hat. Für die strömungstechnische Optimierung konnte die numerische Strömungssimulation (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 gegenüber der zurzeit üblichen Vorgehensweise dar. Die entwickelte optimierte Standarddüse übertrifft die Leistung gegenüber der Standarddüse bei gleichzeitig reduzierter Lärmemission.