Schleifringe

Das französische Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien (CEA) verwendet eine elektrische Drehverbindung (Schleifring), die Servotecnica speziell für die kryogenen Turbulenztests im Rahmen des Experiments SHREK (Superfluid High REynolds von Kármán) konzipierte. Der Schleifring von Servotecnica sollte die Signale der Drehmomentmessung so übertragen, dass das Reibungsmoment der Bürsten auf den Ringen die Messwerte nicht beeinflussen würde.

CEA spielt eine führende Rolle im Bereich Forschung, Entwicklung und Innovation. Die vier Schwerpunktgebieten sind: Verteidigung und Sicherheit, kohlenstoffarme Energien (nukleare und erneuerbare), technologische Forschung für die Industrie und Grundlagenforschung in Physik und Biowissenschaften. Es arbeitet aktiv an Kooperationsprojekten mit verschiedenen Hochschul- und Industriepartnern, die ihr eigenes Expertenwissen einbringen. Die Organisation verfügt über neun Einrichtungen auf französischem Gebiet, wo sie mit zahlreichen Forschungseinrichtungen, lokalen Behörden und Universitäten zusammenarbeitet.

CEA führt derzeit Forschungen im Bereich der Turbulenz durch, eines sehr wichtigen Phänomens für praktische Anwendungen. Turbulenzen verursachen vielfältige Probleme, was auf ein generell fehlendes Verständnis dieses Phänomens zurückzuführen ist. Während Druck, Temperatur und Dichte ausreichen, um den Ruhezustand eines Gases trotz der unentwirrbaren Komplexität der molekularen Kollisionen zu beschreiben, kann eine einfache Hypothese wie das molekulare Chaos bei der Turbulenz nicht angewendet werden, wofür hingegen vollständige Berechnungen des Geschwindigkeitsfeldes erforderlich sind. Wäre es möglich, diese Berechnungen zu vermeiden und durch ein Zufallsstichprobenverfahren zu ersetzen, das über all diese Korrelationen verfügt, würde man eine erhebliche Zeitersparnis erzielen. Und gerade dieser potenzielle Vorteil veranlasste CEA dazu, diese Forschung in Gang zu setzen.

Die CEA Abteilung, die sich mit Tieftemperaturen befasst (SBT), entwickelte ein spezielles Gerät, um die Turbulenz in einem Temperaturbereich, der von Raumtemperatur bis zu tiefsten Werte von 1,6° K (in flüssigem Helium) reicht, zu untersuchen. In einer zylindrischen Zelle von 1,16 m Höhe und 0,78 m Durchmesser wird die Strömung von von Kármán erzeugt. Diese Strömung wird im Einzelnen durch zwei beschaufelte Laufräder mit jeweils 0,72 m Durchmesser herbeigeführt. Um genaue Messungen zu erzielen, wird möglichst nahe am Laufrad ein Kalt-Drehmomentmesser positioniert.

Das SHREK Experiment erfordert präzise und komplexe Messgeräte, die in der Regel nicht als Standardlösungen erhältlich sind. Deshalb sind eigens entwickelte Systeme wie der vorgenannte Kalt-Drehmomentmessers erforderlich. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um einen Drehmomentmesser für die Industrie, der an die außergewöhnlich tiefen Temperaturen bei kryogenen Tests angepasst wurde.

Die sehr tiefen Werte, die vom Kalt-Drehmomentmesser erfasst werden, dürfen auf keinen Fall durch das Drehmoment der Bauteile der kinematischen Gruppe, wie z.B. Lager oder Getriebekästen, beeinflusst werden. Aus diesem Grund beschloss die SBT Abteilung, einen eigenen Kalt-Drehmomentmesser mit für Tieftemperaturen ausgelegten mechanischen und elektrischen Bauteilen zu entwickeln. Zu diesen Bauteilen gehört der Spezial-Schleifring, der die Funktion hat, nicht durch die Reibung zwischen Ring und Bürste beeinflusste Signale der Drehmomentmessung zu übertragen.

Servotecnica arbeitete die Spezifikationen für einen rahmenlosen personalisierten Schleifring aus, der nur aus 12 ABS-Ringen, Welle und Bürstenhalter besteht und kein Lager vorsieht, da das Schmierfett den Tieftemperaturen nicht standhalten würde (weshalb man also zu einer anderen Lösung gelangte). Außerdem isolierte man die Drähte des Drehkollektors mit Teflon. Diese wirtschaftlich vorteilhafte Lösung ermöglichte eine schnelle und bequeme Integration in das für das SHREK Experiment verwendete Gerät.

In Bezug auf die Leistungen des Schleifrings ergaben die ersten Versuche bei 4,2 °K
(-269 °C) einen einstündigen Normalbetrieb bei maximaler Drehgeschwindigkeit von 90 U/min. Und vor allem zeigte sich keine Beschädigung des Materials.

Die Wahl des Kontaktmaterials ist grundlegend für die Leistungen von Schleifringen. Ein angemessener Korrosionswiderstand ist sehr wichtig, vor allem unter kryogenen Bedingungen. Ein Kontaktbereich, der Verschleiß erzeugt, könnte die Übertragungen der Drehmomentsignale während der von SBT durchgeführten Tests beeinträchtigen. Darüber hinaus könnte ein vorzeitiger Verschleiß zu Schäden am System führen, die sich in dem für das SHREK Experiment entwickelten Gerät als sehr kostenaufwändig erweisen würden. Hinsichtlich der Materialien wurde festgestellt, dass man die besten Ergebnisse mit goldbeschichteten Oberflächen, welche den Kontaktwiderstand und die Schwankung während der Drehung minimieren, erzielen konnte.

Einen weiteren grundlegenden Aspekt, den die Ingenieure von Servotecnica berücksichtigen mussten, waren die Betriebsbedingungen. Die extrem tiefen Temperaturen trugen dazu bei, Probleme zu ermitteln, wie die Untauglichkeit von normalerweise verwendeten Materialien.

Ein weiterer untersuchter Faktor war die Ausrichtung, d.h. der horizontale oder vertikale Einbau, den der Schleifring erfordert (für das Gerät des SHREK Experiments war ein vertikaler Schleifring erforderlich). Je nach der Ebene, auf der der Schleifring montiert wird, sind in der Tat besondere mechanische Vorkehrungen zu treffen.

Servotecnica beschreibt ihre Lösung als relativ einfach, weshalb es möglich war, das Gerät innerhalb kurzer Zeit zu liefern. Da die SBT Abteilung bereits seinen eigenen Kalt-Drehmomentmesser entwickelt hatte und auf den Schleifring wartete, um die Tests anlaufen zu lassen, erwies sich die zügige Lieferung als ein maßgeblicher Aspekt.

Nach dem Einbau des Schleifrings führten die Experimente zur Lösung wichtiger technologischer Probleme bezüglich der Turbulenz, wie u.a. Sicherheitsprobleme, die Betätigung groß bemessener Laufräder und den Abbau der Wärme im Zustand des tiefgekühlten Superfluids. Außerdem erzielte man die höchsten jemals in einer Kármánschen Zelle sowohl unter normalen Bedingungen als auch mit Superfluid erreichten Reynoldsschen Zahlen (Re) (die Re-Zahl ist eine wichtige dimensionslose Menge in der Fluiddynamik, die dazu dient, Strömungsmodelle unter verschiedenen Situationen vorherzusehen). Von ausschlaggebender Wichtigkeit war die Tatsache, dass die Messungen des Drehmoments unter diesen Bedingungen kohärent zu den Messungen in Wasserzellen mit einem ähnlichen Geometrieverhältnis waren, für die die Re-Zahl deutlich niedriger ist (zwei Größenordnungen kleiner als die von SHREK).