Passive Kennlinienstabilisierung axialer Kreiselpumpen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Bewilligungszeitraum wurde die, aus vorangegangener Forschung bekannte, passive Methode zur Kennlinienstabilisierung für verschiedene Schaufelwinkel und einer Hydraulik mit höherer spezifischer Drehzahl untersucht. Dabei ergibt sich, dass die Stabilisierungswirkung für alle untersuchten Schaufelwinkel der zunächst beibehaltenen Hydraulik mit nq = 150 erfolgreich ist. Die mechanischen Belastungen werden jedoch bei hohen Schaufelwinkeln von den Gehäusenuten nicht verbessert und zum Teil sogar erhöht. Bei einem hohen Schaufelwinkel wurden weitere Untersuchungen durchgeführt, um die Strömungsstrukturen mit denen im Auslegungswinkel zu vergleichen. Dazu wurden stationäre Sondenmessungen, Gehäuseanstrichversuche und eine optische Beobachtung des kavitierenden Spaltwirbels durchgeführt. Im Spektrum der Wellenbiegemomente wurden subsynchrone Frequenzspitzen gefunden, die z.T. durch die Gehäusenuten unterdrückt werden, z.T. aber auch verstärkt werden. Die Untersuchung der Hydraulik mit nq = 265 erfolgte zunächst ohne den Einsatz der Telemetrie und nur bei einem hohen Schaufelwinkel. Es zeigt sich, dass die Kennlinie des ungenuteten Gehäuses keinen Einbruch der Förderhöhe aufweist. Die Gehäusenuten bewirken aber auch hier einen deutlichen Anstieg der Förderhöhe und des Wirkungsgrades ab Stallbeginn. Weiterhin wird durch den Einsatz der Gehäusenuten die sehr hohe NPSHso/^-Spitze, die beim ungenuteten Gehäuse auftritt, unterdrückt. Die unter Kavitationsbedingung auftretenden Gehäuseschwingungen werden jedoch durch das genutete Gehäuse verstärkt. Ein Nachteil der Nuten ist, dass am Nuteneintritt starke Kavitation auftritt. Aus diesem Grund wurde am Pfleiderer-Institut eine weitere Stabilisierungsmethode entworfen. Diese besteht aus einer doppelten Einlaufdüse. Die nach vorne vor den Rotor tretende Rückströmung wird nun durch den Spalt zwischen den beiden Düsen ausgelassen. Im stabilen Betriebsbereich wird der Spalt positiv durchströmt. Diese Lösung ist inzwischen zum Patent angemeldet worden. Zur Untersuchung dieser sog. Nebenauslassdüse wurde ein im Maßstab 2,33 verkleinerter Prüfstand mit offener Einlaufkammer entworfen, bei der die Pumpe vertikal eingebaut ist. Dieser Aufbau entspricht dem, der in der Praxis zumeist verwendet wird. Es wird gezeigt, dass die Nebenauslassdüse die Kennlinie ebenso stabilisiert, wie die Gehäusenuten. Der Wirkungsgrad entspricht im stabilen Bereich dem des ungenuteten Gehäuses und ab Stallbeginn ist er - wie beim genuteten Gehäuse auch- gegenüber dem ungenuteten Gehäuses erhöht. Messungen mit Particle Image Veiocimetry (PIV) zeigen die Unterschiede in der Einlaufströmung vorder Düse vom ungenuteten Gehäuse und der Nebenauslassdüse. Im ausgeprägten Stall kann beim ungenuteten Gehäuse der Teillastwirbel gesehen werden, der durch die Rückströmung gebildet wird und die Einlaufströmung über den Querschnitt teilweise blockiert, sodass die Einlaufströmung sehr ungleichmäßig wird. Bei der Nebenauslassdüse wird die Rückströmung durch den Spalt nach außen in das Reservoir geleitet. Gemäß dem Drallsatz wird die Umfangskomponente der Rückströmung dabei auf ihrem Weg zu höheren Radien reduziert. Dann mischt sich die Rückströmung mit der Zuströmung. Die Einlaufströmung unterhalb der Düse wird durch die Rückströmung nicht beeinflusst. Die PIV-Untersuchungen zeigen auch, dass die Prerotation im Teillastbetrieb bei der Nebenauslassdüse deutlich geringer ist, als beim glatten Gehäuse. Es zeigt sich außerdem, dass die Stallzellen zeitlich nicht gleichmäßig am Umfang auftreten. Dadurch kann es auch im ausgebildeten Stall vorkommen, dass der Spalt bei der doppelten Einlaufdüse in einem Teil des Umfanges kurzzeitig positiv durchströmt wird. Die Anwendung weiterer Nutengeometrien brachte bisher noch keinen Erfolg. Die im Pfleiderer-Institut untersuchte Axialpumpe (DN350) wurde von Prof. Benra (TU3. Essen-Duisburg) numerisch nachgerechnet. Berechnungen bei Verwendung des genuteten Gehäuses und der Nebenauslassdüse werden zurzeit durchgeführt. Im Rahmen eines projektbezogenen Personenaustauschprogrammes mit Indien, erfolgt zurzeit die numerische Berechnung der kleiner skalierten Pumpe mit Einlaufkammer.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Kosyna G., Performance curve stabilisation of axial flow pumps by Passive flow control (International Rotating Equipment Conference 2008, Düsseldorf, wird präsentiert im November 2008)
- Kosyna G., Suppression of Performance Curve Instability of an Axial-Flow-Pump by Using a Double- Inlet-Nozzle (angenommener Forschungsartikel im International Journal of Rotating Machinery, Hindawi Publishing Corporation, Volume 2008 (Siehe online unter: doi:10.1155/2008/536850)
- Kosyna G., Suppression of Performance Curve Instability of an Axial-Flow-Pump by Using a Double-lnlet-Nozzle (Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, ISROMAC 12, Februar 2008, Honolulu)
