Experimentelle und numerische Untersuchungen der dreidimensionalen Grenzschichtströmung in radialen Kreiselpumpenlaufrädern mit Tandem Schaufeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem hier durchgeführten Projekt konnten drei Arbeitshypothesen beantwortet werden. Zum einen kann durch eine geeignete Anordnung der vorderen und hinteren Schaufel einer Tandem-Beschaufelung in einer einstufigen Kreiselpumpe die Performance hinsichtlich der Förderhöhe verbessert werden. Die Strömung kann nachweislich stärker umgelenkt werden, wodurch sich letztlich der Drall innerhalb der Strömung erhöht. Dies hat nach der EULERSCHEN Turbinengleichung eine größere Druckerhöhung zur Folge als in einem konventionellen Laufrad. Weiterhin konnte die erhöhte Umlenkung auch anhand der numerischen und experimentell ermittelten Stromlinienbilder bestätigt werden. Es konnte eine deutliche Verringerung der saugseitigen Ablöselinien festgestellt werden. Hinsichtlich des Wirkungsgrades konnten keine signifikanten Änderungen festgestellt werden. Sowohl die transienten numerischen als auch die experimentellen Untersuchungen konnten kaum Änderungen im interessierenden Bereich aufzeigen. Obwohl ein erhöhter Druckaufbau den Wirkungsgrad begünstigen würde, wird dieser positive Effekt durch die erhöhte Reibung, bedingt durch die großen Geschwindigkeitsgradienten am hinteren Schaufelprofil, annulliert. Die zweite Arbeitshypothese beschäftigte sich mit der Frage, ob eine Verbesserung des Wirkungsgrades im Teillastbereich realisiert werden kann. Im Rahmen aller Arbeitspakete konnte zu keinem Zeitpunkt eine Verbesserung festgestellt werden. Sowohl bei den numerischen Voruntersuchungen am Passagenmodell als auch bei den transienten CFD-Simulationen am Vollmodell wurde nie eine Verbesserung im Teillastbereich beobachtet. Dies kann ebenfalls auf die erhöhten Geschwindigkeitsgradienten am hinteren Schaufelprofil zurückgeführt werden. Obwohl der saugseitigen Ablösung der Strömung durch Tandemschaufeln entgegengewirkt werden kann, annulliert sich dieser Effekt ebenfalls aufgrund der neuen Grenzschichtausbildung am hinteren Schaufelprofil mit den einhergehenden großen Geschwindigkeitsgradienten. Die dritte und letzte Arbeitshypothese beschäftigte sich mit dem NPSH-Verhalten der Hydraulik. Es stand die Frage im Raum, wie sich die NPSH-On-Set-Punkte durch die Tandemschaufeln beeinflussen lassen. Im Rahmen der numerischen Untersuchung am Vollmodell konnte kein Unterschied bei den On-Set-Punkten festgestellt werden. Die Referenz- und die Tandemschaufel zeigten ein nahezu identisches NPSH-Verhalten. Die experimentelle Untersuchung untermauert die numerische Erkenntnis. Hier konnte ebenfalls kaum ein Unterschied bezüglich des NPSH-Verhaltens festgestellt werden. Tendenziell zeigten die Tandemschaufeln ein etwas schlechteres Verhalten, welches jedoch nicht gravierend war. Dies lässt sich mit der beschleunigten Strömung in der Spaltregion erklären. Lokal weist die Tandemschaufel somit einen erhöhten dynamischen Druck auf, wodurch die Bildung von Kavitationsblasen begünstigt wird. Dies konnte ebenfalls in den numerischen Untersuchungen beobachtet werden. Alle Ergebnisse basieren auf numerischen CFD- und experimentellen Untersuchungen. Die numerischen Daten sind durch aufwendige experimentelle Untersuchungen validiert worden. So ist eine Plausibilität der numerischen Ergebnisse gewährleistet. Es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Tandemschaufeln der Druck innerhalb einer einstufigen Kreiselpumpe deutlich erhöht werden kann, ohne den Bauraum der Pumpe vergrößern zu müssen. Weiterhin konnten keine signifikanten Einbußen bezüglich des Wirkungsgrades oder des NPSH-Verhaltens festgestellt werden. In einem weiteren Schritt könnte die Übertragbarkeit des Prinzips von radialen Tandemschaufeln auf andere Pumpen mit abweichender spezifischer Drehzahl nq untersucht werden. Zur weiteren Erhöhung der Umlenkung der Strömung könnte ebenfalls eine Untersuchung an einer Tripel-Beschaufelung stattfinden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical and Experimental Investigation of the Performance of Tandem Vanes for a Centrifugal Pump. Journal of Fluids Engineering, 144(11).
Fensterseifer, Manuel; Sterle, Laura & Böhle, Martin
