Modellierung und Optimierung einer passiven Kennlinienstabilisierungsmethode für axiale Kreiselpumpen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Untersuchungen basieren hauptsächlich auf den in den vergangenen Jahren durchgeführten Untersuchungen an einer axialen Kreiselpumpe des Pfleiderer Institutes für Strömungsmaschinen der Universität Braunschweig. In diesen Untersuchungen wurde grundsätzlich nachgewiesen, dass es mit numerischen Methoden möglich ist das Kennfeldverhalten einer axialen Kreiselpumpe auch in tiefen Teillastbetriebspunkten, mit erheblichen Strömungsinstabilitäten, treffsicher vorauszuberechnen. In den letzten Untersuchungen konnte auch numerisch der im Experiment nachgewiesene „vortex breakdown“ des Spaltwirbels bestätigt werden. Dies ist nach Wissen der Autoren die erste Untersuchung, in der es gelungen ist, dieses Phänomen numerisch in einer Turbomaschine nachzuweisen. Alle diese Untersuchungen bei denen auch Maßnahmen zur Kennlinienstabilisierung durch Gehäusenuten untersucht wurden, sind an einer Großausführung der Pupe mit einem Gehäusedurchmesser von 350 mm durchgeführt worden. Auch besaß diese Pumpe ein kugelig ausgedrehtes Gehäuse über dem Laufrad und das entsprechend kugelig überdrehte Laufrad. Die aktuellen Untersuchungen, die in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Untersuchungen der Universität Braunschweig durchgeführt wurden, fanden an einem neu aufgebauten Prüfstand statt, in dem die Axialpumpe vertikal eingebaut ist und das Fördermedium aus einer Einlaufkammer ansaugt. Dies entspricht mehr der typischen Einbauweise dieses Pumpentyps als Kühlwasserpumpe in Kraftwerken. Diese geänderte Ansaugsituation mit einer sehr stark unsymmetrischen Zuströmung im Pumpeneinlauf, erforderte eine Modellierung des kompletten Prüfstandes. Wie erste Testrechnungen mit der neu vernetzten Pumpe zeigten, konnte ohne die Betrachtung des Prüfstandes keine befriedigende Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung erzielt werden. Dies führte zu einer erheblichen Steigerung des numerischen Aufwandes, da während der Antragsphase davon ausgegangen wurde, dass eine symmetrische axiale Zuströmsituation vorliegt, bei der nur eine Laufradschaufel und zwei Leitradschaufeln zu simulieren wären. Mit der geänderten Strömungsführung war zusätzlich zur kompletten Pumpenbeschaufelung (6 Rotorschaufeln, 11 Statorschaufeln) noch der komplette Zuströmkasten mit Strömungsgleichrichter und Diffusor zu simulieren. Dadurch erhöhte sich die Anzahl der zu simulierenden Gitterpunkte von geplanten 1,5 Millionen auf über 16 Millionen Gitterpunkte. Die mit diesen Gittern durchgeführten numerischen Simulationen lieferten eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berechneten Kennlinien der Pumpe im Prüfstand. In den durchgeführten Untersuchungen zur Düsenoptimierung wurden nur Teile des Prüfstandes numerisch simuliert und als Randbedingungen Simulationsergebnisse aus den Simulationen des Gesamtsystems benutzt. Durch diese Maßnahme konnte ohne Genauigkeitsverlust eine aufwändige Parameterstudie zur Optimierung der Düsengeometrie durchgeführt werden. Vergleiche mit vorliegenden Lasermessungen aus Braunschweig zeigen in den messtechnisch zugänglichen Bereichen des Strömungsgebietes eine gute Übereinstimmung. Allerdings fehlen für ausführliche Vergleiche und Auswertungen weitere Messwerte aus Braunschweig. Die Variation der radialen Erstreckung der Nebenauslassdüse vor dem Laufrad zeigt zwar wesentliche Änderungen des Strömungsfeldes in diesem Bereich der Düse, jedoch hat dies nahezu keinen Einfluss auf die berechneten Kennfeldpunkte. Ob durch diese Maßnahme die Form der Kennlinie beeinflusst wird, kann aufgrund der vorliegenden zwei Rechenpunkte nicht gesagt werden. Die Simulation mit Drallbrechern am Austritt der Nebenauslassdüse liefert im Auslegungspunkt eine geringfügige Verschlechterung von Förderhöhe und Wirkungsgrad. Die erhoffte wesentliche Verbesserung im Teillastbetrieb konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Künftige Arbeiten: Weitergehende Rechnungen zum Speichern der transienten Ergebnisse zur Untersuchung zeitabhängiger Vorgänge (Bestimmung von Frequenzen) Vergleich der zeitabhängigen Ergebnisse mit Messungen Identifikation der Mechanismen von Schwingungsanregungen bei Stallbeginn und bei Teillast Untersuchung von rotierenden Phänomenen bei Stallbeginn und Teillast Implementierung eines Kavitationsmodells in die numerische Simulation zur Beurteilung der Kavitationsgefährdung einzelner Bauteile und des NPSH-Verhaltens der Pumpe.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- ‘Improvement of Axial-Flow Pump Part Load Behavior by a Double Inlet Nozzle, ASME Fluids Engineering Conference, Rio Grande, Puerto Rico, USA, FEDSM2012-72211, 2012
Benra, F.-K.; Dohmen, H. J.; Brinkhorst, S.
