Passive Kennlinienstabilisierung axialer Kreiselpumpen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Günter Kosyna
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
• Term: from 2005 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5450690

Der nutzbare Betriebsbereich von Axialpumpen wird eingeschränkt durch den Strömungsabriss) und die dadurch entstehende Kennlinieninstabilität (wie auch in Axialverdichtern und -Ventilatoren) sowie die bei Annäherung an den Abreißpunkt stark ansteigenden NPSH3%- und Schwingungswerte.Die in vorgestellte passive Maßnahme stabilisiert durch in das Gehäuse eingebrachte Nuten (Casing Treatment) die Kennlinie im gesamten Lastbereich. Die Methode verbessert ebenfalls das Kavitationsverhalten und verringert somit die kavitationsbedingten Schwingungen. Der Wirkungsgrad wird dabei nicht verschlechtert. Ab Einsetzen des Strömungsabrisses liegt er sogar um ca. 5% höher im Vergleich zur originalen Kennlinie.Im ersten Abschnitt des Bewilligungszeitraumes, wurde diese Methode hinsichtlich ihrer allgemeinen Anwendbarkeit hin überprüft. Dabei wurde zunächst nur der Staffelungswinkel verändert. Es zeigt sich, dass auch hierbei die Kennlinie im gesamten Lastbereich stabilisiert wird. Allerdings ergibt sich eine Wirkungsgradverschlechterung bei Verwendung des genuteten Gehäuses um ca. 1%. Die Begründung dafür ist noch nicht bekannt und wird zur Zeit untersucht. Möglicherweise sind Anstreifvorgänge an das Gehäuse und die damit leicht unterschiedlichen Gehäuseinnenkonturen dafür verantwortlich.Ein Nachteil des Casing Treatments ist der schon erwähnte starke Kavitationsangriff am Nuteneintritt im Teillastbereich. Dieser wirkt sich nicht auf das NPSH3o/0-Verhalten des Laufrades aus, führt aber zu lautem Kavitationslärm und hat zerstörerische Auswirkungen auf den Nuteneintritt.Um dem entgegenzuwirken, wurde eine Stabilisierungsmaßnahme entwickelt und konstruiert, die den Nachteil der erosiven Aggressivität der Kavitation an den Nuten vermeidet, indem die mit hoher Umfangskomponente gehäusenah auftretende Rückströmung bei Eintritt des Stalls (spill forward) nicht an den Nuten „gebrochen , sondern nach außen abgeleitet und verzögert wird. In ersten Vorversuchen wurde herausgefunden, dass auch diese Methode die Kennlinie im gesamten Betriebsbereich stabilisiert. Sie wird im Folgenden als Nebenauslassdüse bezeichnet. Die detaillierte Untersuchung dieser Maßnahme stellt einen Schwerpunkt der Arbeiten im Fortsetzungsantrag dar.Da Aufwand und Kosten für die Fertigung und den Einbau verschiedener Einlaufgeometrien am großen Prüfstand sehr hoch wären, wurde ein zweiter maßstäblich verkleinerter Prüfstand aufgebaut. Dieser Prüfstand bietet außerdem eine praxisnähere Einbausituation. Die Pumpe saugt das Fördermedium aus einer Einlaufkammer mit offenem Wasserspiegel in vertikaler Einbaulage an. Die Einlaufkammer besteht aus Plexiglas. Damit ist es möglich PIV-Messungen durchzuführen. Bei den Pumpengehäusen wurde von der kugeligen Gehäusekontur auf eine zylindrische Gehäusekontur übergangen.Somit besteht nun die Möglichkeit an beiden Prüfständen parallel Messungen durchzuführen und die Untersuchung hinsichtlich der Wirksamkeit des Casing-Treatments an einem Laufrad mit nq=265 wie geplant auf dem großen Kreislauf fortzuführen.Ermutigt durch die ersten Ergebnisse der Nebenauslassdüse und der Möglichkeit nun PIV-Messungen durchführen zu können, scheint es sinnvoll abweichend zum Erstantrag zusätzlich Strömungsfeldmessungen mit PIV durchzuführen.Als Ausgleich zum durch die PIV-Messungen erweiterten Messprogramm, sollen die Untersuchungen an der nq-500 Pumpe entfallen.

• DFG Programme: Research Grants