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Forschung zu Prozesspumpen mit hoher Förderhöhe

Simulation und Optimierung von Seitenkanalpumpen

Besteht die Wahl zwischen einer Verdrängerpumpe und einer Kreiselpumpe fällt diese häufig auf eine Seitenkanalpumpe. Der Vorteil: sie kann hohen Druck bei relativ geringen Fördermengen liefern.
Neben den Hauptvorteilen einer hervorragenden Saugleistung und der Fähigkeit, Flüssigkeiten mit hoher Gaslast zu fördern, ist der Nachteil von Pumpen mit so niedrigen spezifischen Drehzahlen ein recht schlechter Wirkungsgrad. In der Vergangenheit, als der Wirkungsgrad oft vernachlässigbar gering war, wurde diese Tatsache einfach hingenommen. Heutzutage werden Unternehmen per Gesetz dazu gedrängt, die Effizienz ihrer Produkte zu erhöhen, z.B. durch die Energieeffizienz-Richtlinie der Europäischen Union oder das Pariser Abkommen.

Da Pumpen fast 20% des weltweiten Stromverbrauchs ausmachen, bieten sie ein enormes Energiesparpotenzial. Obwohl viele Hersteller diesen Trend erkannt und ihre Hauptmodelle verbessert haben, wurden einige Exoten wie Seitenkanalpumpen in der Vergangenheit vernachlässigt.

Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde typischen 1-stufigen Seitenkanalpumpe mit zusätzlichem Radialsauglaufrad mittels CFD-Simulationen detailliert analysiert, mit dem Ziel die Hauptverluste zu ermitteln und das Optimierungspotenzial aufzuzeigen. Neben der Herausforderung, den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist zu erwähnen, dass die Gesamtabmessungen, die Förderhöhenkennlinie und das Saugverhalten identisch bleiben müssen um die Kompatibilität der Pumpe als Ersatzteil zu gewährleisten.

In einem ersten Schritt wurde das Modell sukzessive erstellt und es war bereits in einem sehr frühen Stadium klar, dass es alle Details wie Sauglaufrad (360°-Modell), Hauptstufe (360°-Modell) sowie das Druckgehäuse und alle engen Spalte enthalten muss, um brauchbare Simulationsergebnisse zu liefern. Die numerischen Simulationen wurden mit dem kommerziellen CFD-Paket ANSYS CFX 17.1 stationär und instationär mit maßstabsgetreu auflösenden Turbulenzmodellen durchgeführt. Es wurden hauptsächlich strukturierte Gitter für das Laufrad, den Seitenkanal, den Saugstutzen und die Spalte verwendet. Das endgültige Modell der vorhandenen Pumpe besteht aus 15 Mio. Knoten.

 

CFD-Modell der analysierten ursprünglichen Seitenkanalpumpe mit radialem Sauglaufrad (gelb) und Laufrad (blau)
CFD-Modell der analysierten ursprünglichen Seitenkanalpumpe mit radialem Sauglaufrad (gelb) und Laufrad (blau).

 

Die CFD-Simulationen wurden mit Modellversuchen validiert; das Verhalten der Hauptkomponenten (in Strömungsrichtung) wurde im Detail analysiert. Neben den Verlustanalysen der genannten Komponenten wurde besonderes Augenmerk auf das Verhalten des Fluids im Ein- und Auslasskanal und die Druckerzeugung im Seitenkanal gelegt.

 

Entwicklung der Förderhöhe von der Einlassöffnung über den Seitenkanal zur Auslassöffnung mit Verteilung in jedem Schaufelkanal

Entwicklung der Förderhöhe von der Einlassöffnung über den Seitenkanal zur Auslassöffnung mit Verteilung in jedem Schaufelkanal
Entwicklung der Förderhöhe von der Einlassöffnung über den Seitenkanal zur Auslassöffnung mit Verteilung in jedem Schaufelkanal.

 

Für den Optimierungsprozess war es notwendig, ein reduziertes numerisches Modell zu erstellen, um die Auswirkungen von mehr als 300 Geometrievariationen zu analysieren. Nachdem die Auswirkungen einzelner und mehrerer Geometrievariationen analysiert worden waren, wurden die Ergebnisse zur Festlegung der gewünschten Ziele kombiniert und erneut mit dem vollständigen numerischen Modell validiert. Die numerischen Simulationen sagten eine relative Effizienzsteigerung bei BEP und Teillast >30% in Bezug auf alle gegebenen Einschränkungen wie identische Förderhöhenlinie, Saugverhalten und Abmessungen voraus.

Das optimierte Modell wurde in einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt und auf dem Prüfstand im Labor getestet. Die numerisch vorhergesagten Zahlen wurden validiert.

 

Vergleich zwischen ursprünglicher und optimierter Pumpe: Die Darstellung zeigt die ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen CFD und Messung
Vergleich zwischen ursprünglicher und optimierter Pumpe: Die Darstellung zeigt die ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen CFD und Messung.

 

 

Quelle & Bilder: Prof. Dr. Jaberg

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