Strömungstechnische Grundlagenuntersuchungen zum Betriebs- und Verlustverhalten einer High-Speed-Kreiselpumpe

Betreuer: Dipl.-Ing. O. M. Kupschke

Wissenschaftliche Einbindung des Projektes

Der Entwurf von Pumpenlaufrädern erfolgt anhand der Auslegungsgrößen Volumenstrom und spezifische Stutzenarbeit, durch die alle Laufradparameter unter Berücksichtigung bestimmter Erfahrungswerte festgelegt sind. Die Leistung geometrisch ähnlicher Turbomaschinen ändert sich näherungsweise mit der 5. Potenz der Laufradabmessungen und der 3. Potenz der Drehzahl. Die Variationsmöglichkeiten der Nenndrehzahl bei direkt angetriebenen Pumpen sind bisher äußerst beschränkt, da die Pumpendrehzahl durch die Netzfrequenz und die Polzahl der elektrischen Antriebsmaschine festgelegt ist. Aus diesem Grund konnte der Pumpenbau der allgemeinen Entwicklung im Turbomaschinenbau zu Maschinen mit hohem Leistungs-Massen-Verhältnis nicht folgen. Die Verbreitung schnelldrehender Pumpen, sogenannter High-Speed-Pumpen, blieb bisher aufgrund der Kosten der zugehörigen Antriebskomponenten (z.B. Getriebe) oder der andersartigen Antriebsmaschine (z.B. Turbine) auf wenige, spezielle Anwendungsbereiche beschränkt. Die innovative Entwicklung der Frequenzumrichtertechnik, und die damit verbundene Miniaturisierung und Kostensenkung der elektrischen Bauteile, bietet heute die Möglichkeit, die Drehzahl als Variationsparameter in die Auslegung und Regelung von elektrisch angetriebenen Pumpen wirtschaftlich mit einzubeziehen. Die Reduzierung der Pumpenbaugröße durch die Verringerung der Stufenzahl und der Laufraddurchmesser führt zu einer Steigerung des Leistungs-Massen-Verhältnisses und ermöglicht eine Wirkungsgradverbesserung der Maschine. Die über weite Bereiche drehzahlregelbaren High-Speed-Pumpen decken große Betriebskennfelder ab und ermöglichen dem Anwender den flexiblen und optimierten Einsatz der Pumpe. Diese Vorteile lassen sich nur dann nutzen, wenn Betriebsverhalten, Wirkungsgrad und Umweltverträglichkeit der High-Speed-Pumpen keine gravierenden Nachteile gegenüber herkömmlichen Pumpen aufweisen. Aus diesem Grund müssen die geänderten Randbedingungen bei der Konstruktion der Maschine und der Auslegung der Laufräder berücksichtigt werden. Auf diesem Sachverhalt aufbauend werden am Institut Untersuchungen an Kreiselpumpen mittlerer Baugröße durchgeführt, die den Leistungsbereich von 1 kW bis 40 kW abdecken.

Ziele

Die wissenschaftliche Bedeutung des Vorhabens liegt in der Ergänzung der Theorie im Hinblick auf die Änderung wesentlicher Strömungs- und Betriebsgrößen mit der Drehzahl. Diese bilden die Grundlage für spätere, weitergehende Untersuchungen wie die zeitlich aufgelöste Erfassung der Strömungsgrößen der Laufradabströmung. Das erste Ziel des Projektes ist es, den Nachweis zu erbringen, daß das Prinzip der High-Speed-Maschine und die damit verbundenen Vorteile auch für Kreiselpumpen geringer Baugröße, bei konstruktiver Berücksichtigung der geänderten Randbedingungen, erfolgreich anwendbar ist. Dafür werden das Betriebskennfeld und -verhalten sowie die Verlustanteile der High-Speed-Kreiselpumpe untersucht und mit herkömmlichen Pumpen verglichen. Das zweite Ziel ist die Schaffung einer Datenbank für die Validierung und die Kalibrierung von Laufradauslegungs- und Strömungsberechnungsverfahren für High-Speed-Pumpenlaufräder anhand umfassender Strömungsmessungen und Kavitationsuntersuchungen.

Experimentelle Untersuchungen

Zur Erfassung der auftretenden Kräfte und Momente sowie der Betriebsgrenzen der Versuchspumpe wurde das Kennfeld [Abb. 1] für Drehzahlen von 2000 1/min bis 9000 1/min gemessen. Die besonderen Herausforderungen ergeben sich durch die geringen Laufradabmessungen und die damit verbundenen kleinen Meßräume sowie durch den sehr großen Einsatzbereich der Versuchsmaschine. Dies stellt erhebliche Anforderungen an die am Institut entwickelte Meßtechnik hinsichtlich der Meßgenauigkeit, der Meßbereiche und der Vermeidung der Strömunsgbeeinflussung.

Für die Bestimmung des Schaufelwirkungsgrads werden alle hydraulischen und volumetrischen Verluste sowie der Verlust durch Radscheibenreibung in einem besonderen Meßaufbau untersucht. Dazu wird das Versuchslaufrad durch ein außenkonturgleiches aber innen geschlossenes Laufrad ersetzt. Wird dieses Dummy-Laufrad nun mit der entsprechenden Betriebsdrehzahl gefahren und erzeugt eine Hilfspumpe die gleiche Sekundärströmung im Pumpengehäuse, können anhand des anliegenden Drehmomentes die Radscheibenreibung und anhand des Volumenstromes (eingestellt über die Druckverteilung im Radseitenraum) die volumetrischen Verluste bestimmt werden.

Die genaue Bestimmung des Laufradwirkungsgrades erfolgt über die Messung der Strömungsgrößen in drei Radien über die Breite des parallelwandigen Plattendiffusors mit Dreiloch-Zylindersonden. Dabei wird der 8 mm breite Kanal in 21 Meßpunkte aufgeteilt, um Randgrenzschichten und Strömungsgradienten möglichst fein aufzulösen. Mit einem Analyseprogramm werden anhand der Meßwerte die mittleren Strömungsgrößen am Laufradaustritt errechnet. Diese Methode hat den Vorteil, daß die auftretenden Strömungsverluste implizit berücksichtigt sind. Die Laufradzuströmung wird auf gleichem Wege bestimmt, so daß eine Aussage über die Energieumsetzung im Laufrad und eine Strömungsnachrechnung möglich wird.

Die gemessenen Strömungsverhältnisse in der Laufradabströmung zeigen deutliche last- und betriebspunktabhängige Ausprägungsformen, die auf Ablösegebiete und Sekundärströmungseffekte schließen lassen. In wie weit diese sich mit etwaigen Drehzahleffekten überlagern oder völlig neue Strömungsphänomene auftreten gilt es zu untersuchen.

Da High-Speed-Pumpen besonders kavitationsgefährdet sind, werden Kavitationsbeginn- und Abreißkurvenmessungen durchgeführt. Der Kavitationsbeginn, das heißt, das erste sichtbare auftreten von Dampfblasen auf einer Laufradschaufel wird auf optischem Wege, mit Hilfe einer Stroboskoplampe und einem Plexiglaseintrittsgehäuse durchgeführt. Das Stroboskoplicht ermöglicht dem Beobachter die Betrachtung einer subjektiv "stehenden" Schaufel.

Bei der Abreißkurvenmessung werden die Betriebspunktdaten (Volumenstrom, Förderhöhe, Drehmoment, Kesseldruck, etc) der Maschine bei unterschiedlichen Kesseldrücken erfaßt. Man beginnt diese Messung bei Überdruck, so daß das Laufrad kavitationsfrei ist. Bei den folgenden Meßpunkten wird der Kesseldruck stetig gesenkt. Dies führt zu einer sich immer stärker ausbildenden Kavitation im Laufrad, bis die Strömung schließlich nahezu vollständig an den Schaufeln abreißt und die Förderhöhe sowie der Volumenstrom stark abfallen. Der Ablauf dieses Vorganges -der Verlauf dieser Abreißkurve- ist sehr stark von der Gestaltung der Laufradvorderkante abhängig. Wie stark die Drehzahl und andere Drehzahleffekte diesen Verlauf beeinflussen sollen die Untersuchungen am Institut zeigen. Aus den Abreißkurven läßt sich die wichtige Kavitationskenngröße NPSH3% ablesen. Dabei handelt es sich um den statischen Druck am Eintritt der Pumpe, bei dem sich die Förderhöhe, im Verhältnis zum kavitationsfreien Betriebspunkt, um 3% vermindert hat.

In wie weit Kavitationsvorgänge sich bei unterschiedlichen Drehzahl- und Lastverhältnissen auf die Laufradströmung auswirken soll die Untersuchung der Laufradabströmung (mit Sonden im Diffusor wie oben beschrieben) für NPSH3% ergeben.