Optimierung der Hydraulik einer Radialpumpe auf Basis experimentieller und numerischer Untersuchungen
Für einen europäischen Pumpen- und Anlagenhersteller wurden im Zuge einer umfangreichen Studie Optimierungsvorschläge für eine bestehende Radialpumpen-Hydraulik erarbeitet.
Die Radialpumpe besitzt ein zweiteilig gegossenes Spiralgehäuse mit einer starken Strömungsumlenkung im Druckstutzen und wird hauptsächlich zur Förderung von Öl-Wasser-Emulsionen eingesetzt. Das in Grauguss und auch Spritzguss gefertigte Laufrad besitzt einfache Kreisbogenschaufeln sowie Rückenschaufeln für den Axialkraftausgleich. Die spezifische Schnellläufigkeit beträgt etwa nq = 15 U/min.
Ziel der numerischen und experimentiellen Untersuchungen
Ziel der Arbeit war es, etwaiges Optimierungspotential aufzuzeigen sowie durch eine Neugestaltung einzelner Komponenten die Leistungsaufnahme der Pumpe über den gesamten Betriebsbereich zu reduzieren. Erreicht werden sollte dies durch eine Wirkungsgradsteigerung sowie eine Förderhöhen-
reduktion in Überlast.
Vorgehensweise
Im ersten Schritt wurden am Prüfstand des Instituts für Hydraulische Strömungsmaschinen die Pumpenkennlinien und der Wirkungsgrad der Radialpumpe verifiziert. Basierend auf den Messergebnisse für mehrere Guss- sowie Kunststofflaufräder wurde der Einfluss von Fertigungsungenauigkeiten untersucht.
Auf Basis der spärlich vorhandenen Konstruktionszeichnungen wurden im nächsten Schritt das Spiralgehäuse sowie die Radseitenräume mit Hilfe von CAD-Tools geometrisch nachgebildet. Das Pumpenlaufrad selbst wurde einer geometrischen Vermessung unterzogen. Mit Hilfe der somit erhaltenen CAD-Daten wurden schließlich Rechennetze erzeugt sowie ein geeignetes CFD-Modell der Pumpe aufgebaut.
Die CFD-Berechnungen wurden sowohl in stationärer als auch in transienter Betrachtungsweise durchgeführt und ihre Ergebnisse mit den Messdaten verglichen.
Auf Basis der Analyse der Strömungssimulation war es schlussendlich möglich, ein optimiertes Laufrad- sowie Spiralgehäusedesign zu finden. Unter Verwendung des „Selektiven Laser-Sinterns (SLS)“ wurde schlussendlich auch ein Prototyp des optimierten Pumpenlaufrads hergestellt, experimentell untersucht und die Verbesserung des Wirkungsgrades sowie der Leistungsaufnahme wurde nachgewiesen.
Ergebnis: Hoher Wirkungsgrad
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die hydraulische Auslegung der entwickelten Diagonalpumpe am Prüfstand überzeugte. Das Kavitationsverhalten erfüllte die Anforderungen und der Wirkungsgrad war sogar erheblich besser als garantiert und auch höher als bei vergleichbaren Produkten von namhaften Herstellern. [Kavitation...]
Ergebnisse: Verbesserung von Wirkungsgrad und Förderhöhe
Die unten angeführte Abbildung "Gesamt- und Einzelwirkungsgrade der Originalpumpe" zeigt einen Vergleich der am Prüfstand gemessenen, im CFD-Modell berechneten sowie vom Hersteller angegebenen Wirkungsgrades. Es zeigt sich, dass sowohl die ursprüngliche Wirkungsgradangabe aus den Datenblättern, als auch die CFD-Simulation im Toleranzband der Messung liegt. Die CFD-Simulation kann daher als gute Basis für eine Optimierung des Pumpendesigns herangezogen werden.
Des Weiteren zeigt die Darstellung die Auswertung des volumetrischen Wirkungsgrades sowie des Laufrad- und Spiralenwirkungsgrades, woraus sich das Optimierungspotenzial der Einzelkomponenten abschätzen lässt.
Im Zuge der Optimierung des Laufrads wurde der Eintrittswinkel reduziert, die Umschlingung der Schaufel erhöht sowie eine Verwindung der Schaufel im Saugmund der Pumpe eingeführt. Für die Optimierung der Spirale wurde vor allem der Flächenverlauf sowie der druckseitige Krümmer am Anschluss der Spirale verbessert, um die Strömungsverluste entsprechend reduzieren zu können.
(Kopie 1)
Die Ergebnisse der im Zuge der Designoptimierung durchgeführten numerischen Strömungsberechnungen sind in folgenden Diagrammen dargestellt.
Die Abbildung "Förderhöhenvergleich" zeigt die Förderhöhe der Pumpe als Funktion der Fördermenge. Zum einen zeigt sich, dass es durch Anwendung der transienten CFD-Berechnung zu einer noch besseren Annäherung der Herstellerangaben kommt. Des Weiteren wird ersichtlich, dass das neue Laufraddesign in der Version V05 eine Förderhöhensteigerung in Teilllast sowie eine Förderhöhenreduktion in Überlast bewirkt.
Eine vergleichende Darstellung der Wirkungsgrade zwischen der Originalhydraulik und der optimierten Hydraulik wird in Abbildung "Wirkungsgradvergleich" präsentiert. Die Verwendung des optimierten Laufraddesigns in der Version V05 bewirkt eine Wirkungsgradsteigerung von 2.5 Prozentpunkten im Optimum und 5.5 Prozentpunkten in Teilllast. Durch Verwendung des optimierten Spiralendesigns kann der Wirkungsgrad in Überlast noch zusätzlich um mehrere Prozentpunkte angehoben werden.
(Kopie 1)
Optimierungsvorschläge führten zu Wirkungsgradsteigerung
Das optimierte Laufraddesign erzielte eine Wirkungsgradsteigerung von 2.5 Prozentpunkten im Optimum, 5.5 Prozentpunkten in Teilllast und mehreren Prozentpunkte in Überlast. Die Optimierung führte ebenso zu einer Reduktion der mechanischen Leistungsaufnahme von ~5 Prozent in Teilllast sowie bis zu 12.5 % in Überlast. Durch die Fertigung und Messung eines Prototypen am Prüfstand konnte dieses Ergebnis experimentell bestätigt werden.
